11.2.2. Кремний и его соединения

715. Напишите уравнения реакций и укажите условия, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

C Cl₂ перегонка H₂

SiO₂  Si  SiCl₄  SiCl₄  Si

(с примесями) (+примеси) (+примеси) (чистый) (чистый)

716. Назовите аллотропные модификации кремния. Какая из них химически более активна и почему?

717. Как из кремнезема получить кремниевую кислоту?

718. В чем заключается причина резкого различия в свойствах оксида кремния (IV) и оксида углерода (IV)?

719. Приведите уравнение реакции горения простейшего водородного соединения кремния.

720. Карборунд получают прокаливанием песка с избытком угля. Напишите уравнение реакции.

721. Составьте уравнения реакций, по которым из оксида кремния можно получить растворимые в воде соединения.

722. Приведите формулу летучего соединения кремния, имеющего минимальную плотность по воздуху. Докажите, что соединения кремния с меньшей относительной молекулярной массой нет.

723. Простое вещество "A" реагирует с водородом со взрывом, образуя газ "B", водный раствор которого является слабой кислотой, растворяющей оксид кремния (IV) с выделением газа "C". Назовите вещества "A", "B" и "C". Напишите уравнения реакций.

724. При получении кремния путем восстановления его оксида избытком магния получается смесь продуктов. Назовите их. Предложите способ выделения чистого кремния из этой смеси.

725. Осуществите цепочку превращений: кремнезем  силицид магния  силан  кремнезем  силикат натрия.

726. Определите объем водорода (н.у.), выделившегося при обработке раствором гидроксида натрия смеси, полученной при сплавлении 6 г магния с 45 г оксида кремния (IV).

727. Завершите уравнения реакций, расставьте коэффициенты и укажите условия протекания процессов:

SiO₂ + HF 

Si + KOH + H₂O

NO₂ + Na₂SiO₃ + H₂O 

SO₂ + Na₂SiO₃ + H₂O 

NH₄Cl + K₂SiO₃ + H₂O 

728. Для транзисторов и других элементов электронной техники используют кремний высокой чистоты. Получение кремния высокой чистоты проводят обычно по схеме, рассмотренной в задаче 715. Рассчитайте, какое количество высокочистого кремния можно получить их 100 кг кремнезема, содержащего 10% примесей.

729. Сырьем при варке стекла служат сода, карбонат кальция и кремнезем. Рассчитайте необходимую массу сырья для производства 478 кг стекла, если его состав описывается формулой Na₂OCaO6SiO₂.

730. Смесь оксида кремния (IV) и карбоната кальция сильно нагрели, масса выделившегося при этом газа оказалась в 1,818 раза меньше твердого остатка. Масса твердого остатка при промывании водой уменьшилась. Вычислите, во сколько раз в исходной смеси число атомов кислорода было больше числа атомов кремния.

Глава 12. Металлы главных подгрупп (щелочные, щелочноземельные, алюминий)

§ 12.1. Задачи с решениями

Задача 129. Как можно установить, что при горении металлического натрия образуется не оксид, а пероксид?

Решение. Пероксид натрия, в отличие от оксида, — сильный окислитель. Он окисляет иодиды в кислой среде до иода:

Na₂O₂ + 2NaI + 2H₂SO₄ = I₂ + 2Na₂SO₄ + 2H₂O.

Оксид натрия реагирует не с NaI, а с H₂SO₄:

Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O.

Задача 130. Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

NaCl  Na  NaH  NaOH  NaHSO₃ .

Решение. Натрий образуется при электролизе расплава хлорида натрия:

2NaCl = 2Na + Cl₂.

Натрий реагирует с водородом:

2Na + H₂ = 2NaH.

Гидрид натрия полностью гидролизуется под действием воды:

NaH + H₂O = NaOH + H₂.

При пропускании избытка сернистого газа через раствор гидроксида натрия образуется гидросульфит натрия:

NaOH + SO₂ = NaHSO₃.

Задача 131. При действии избытка углекислого газа на 32,9 г неизвестного соединения металла с кислородом образовалось твердое вещество "A", и выделился газ "B". Вещество "A" растворили в воде, и добавили избыток раствора нитрата бария, при этом выпало 27,58 г осадка. Газ "B" пропустили через трубку с раскаленной медью, и масса трубки увеличилась на 6,72 г. Установите формулу исходного соединения.

Решение. Из условия задачи ясно, что после пропускания CO₂ над кислородным соединением металла образовался карбонат металла, причем щелочного (поскольку карбонаты только щелочных металлов достаточно хорошо растворимы в воде), и выделился кислород. Пусть формула исходного соединения  Me_xO_y. Уравнения реакций:

2Me_xO_y + xCO₂ = xMe₂CO₃ + (y0,5x)O₂,

Me₂CO₃ + BaCl₂ = 2MeCl + BaCO₃,

2Cu + O₂ = 2CuO.

Увеличение массы трубки с нагретой медью равно массе прореагировавшего по последней реакции кислорода, поэтому: (O₂) = 6,72/32 = 0,21 моль.

По второй реакции, (BaCO₃) = 27,58 / 197 = 0,14 моль = (Me₂CO₃), следовательно, (Me) = 2  (Me₂CO₃) = 0,28 моль. Отношение коэффициентов в уравнении реакции равно отношению количеств веществ (в молях), поэтому из первого уравнения следует, что x/(y0,5x) = 0,14/0,21, откуда получаем, что x:y = 1:2. Поэтому можно заключить, что простейшая формула кислородного соединения  MeO₂.

Поскольку (MeO₂) = (Me) = 0,28 моль, то молярная масса кислородного соединения равна: M(MeO₂) = 39,2 / 0,28 = 117,5 г/моль, а атомная масса металла: M(Me) = 117,532 = 85,5 г/моль. Этот металл  рубидий, Rb. Искомая формула — RbO₂.

Ответ. RbO₂.

Задача 132. При взаимодействии 6,0 г металла с водой выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Определите этот металл, если он в своих соединениях двухвалентен.

Решение. Поскольку металл двухвалентен, его реакция с водой описывается уравнением:

Me + 2H₂O = Me(OH)₂ + H₂.

Согласно уравнению, (Me) = (H₂) = 3,36/22,4 = 0,15 моль. Отсюда атомная масса металла равна A(Me) = m/ = 6,0/0,15 = 40 г/моль. Этот металл  кальций.

Ответ. Кальций.

Задача 133. Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

Mg  MgSO₄  Mg(NO₃)₂  MgO  (CH₃COO)₂Mg.

Решение. Магний растворяется в разбавленной серной кислоте:

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄ + H₂.

Сульфат магния вступает в обменную реакцию в водном растворе с нитратом бария:

MgSO₄ + Ba(NO₃)₂ = BaSO₄ + Mg(NO₃)₂ .

При сильном прокаливании нитрат магния разлагается:

2Mg(NO₃)₂ = 2MgO + 4NO₂ + O₂.

Оксид магния — типичный основной оксид. Он растворяется в уксусной кислоте:

MgO + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Mg + H₂O.

Задача 134. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов 1:3:4 (в порядке перечисления). Какой объем воды может вступить в химическое взаимодействие с 35 г такой смеси?

Решение. Пусть в исходной смеси содержалось x моль Ca, тогда (CaO) = 3x, (CaC₂) = 4x. Общая масса смеси равна:

40x + 563x + 644x = 35,

откуда x = 0,0754 моль. При взаимодействии данной смеси с водой происходят следующие реакции:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂,

CaO + H₂O = Ca(OH)₂,

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂.

В первую реакцию вступает 2x моль H₂O, во вторую — 3x, и в третью — 24x = 8x моль H₂O, всего — 13x = 130,0754 = 0,980 моль. Масса прореагировавшей воды равна 0,98018 = 17,6 г, объем воды равен 17,6 г / 1 г/мл = 17,6 мл.

Ответ. 17,6 мл H₂O.

Задача 135. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме (каждая стрелка обозначает одно уравнение реакции):

Определите неизвестные вещества (3 балла).

Решение. Оксид кальция может образоваться при разложении кислородсодержащих солей кальция, например карбоната и нитрата, поэтому X₁ – CaCO₃, X₂ – Ca(NO₃)₂. Карбонат кальция образуется при нейтрализации гидрокарбоната кальция щелочью:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O.

Нитрат кальция получается при действии азотной кислоты на карбонат и гидрокарбонат кальция:

Ca(HCO₃)₂ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2CO₂ + 2H₂O,

CaCO₃ + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O.

Термическое разложение карбоната и нитрата кальция протекает по уравнениям:

t

CaCO₃  CaO + CO₂,

t

2Ca(NO₃)₂  2CaO + 4NO₂ + O₂.

Карбонат кальция нерастворим в воде, поэтому его можно получить из нитрата кальция по обменной реакции с растворимым карбонатом:

Ca(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaNO₃ .

Ответ. X₁ – CaCO₃, X₂ – Ca(NO₃)₂.

Задача 136. В одной пробирке находится раствор хлорида магния, в другой — хлорида алюминия. С помощью какого одного реактива можно установить, в каких пробирках находятся эти соли?

Решение. Алюминий отличается от магния тем, что его гидроксид, Al(OH)₃, амфотерен и растворяется в щелочах. Поэтому при добавлении избытка раствора щелочи к раствору AlCl₃ образуется прозрачный раствор:

AlCl₃ + 4KOH = K[Al(OH)₄] + 3KCl.

Гидроксид магния в щелочах нерастворим, поэтому при добавлении раствора щелочи к раствору хлорида магния выпадает осадок:

MgCl₂ + 2KOH = Mg(OH)₂ + 2KCl.

Задача 137. Составьте полные уравнения следующих реакций:

1) AlCl₃ + KOH(изб.) 

2) AlCl₃ + NH₃(изб.) + H₂O 

3) Al(NO₃)₃ + Na₂S + H₂O 

4) Na[Al(OH)₄] + CO₂ 

Решение. 1) При действии щелочи на соли алюминия выпадает осадок гидроксида алюминия, который растворяется в избытке щелочи с образованием алюмината:

AlCl₃ + 4KOH = K[Al(OH)₄] + 3KCl.

2) При действии раствора аммиака щелочи на соли алюминия выпадает осадок гидроксида алюминия.

AlCl₃ + 3NH₃ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3NH₄Cl.

В отличие от щелочей, раствор аммиака не растворяет гидроксид алюминия. Именно поэтому аммиак используют для полного осаждения алюминия из водных растворов его солей.

3) Сульфид натрия усиливает гидролиз хлорида алюминия и доводит его до конца, до Al(OH)₃. В свою очередь, хлорид алюминия усиливает гидролиз сульфида натрия и доводит его до конца, до H₂S:

2Al(NO₃)₃ + 3Na₂S + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S + 6NaCl.

4) Алюминат натрия образован очень слабой кислотой – гидроксидом алюминия, поэтому он легко разрушается в водном растворе даже под действием слабых кислот, например, угольной:

Na[Al(OH)₄] + CO₂ = Al(OH)₃ + NaHCO₃ .

Задача 138. К 25 г 8%-ного раствора хлорида алюминия прилили 25 г 8%-ного раствора гидроксида натрия. Образовавшийся осадок отфильтровали и прокалили. Определите его массу и состав.

Решение. При действии щелочей на растворы солей алюминия образуется осадок гидроксида алюминия:

AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaCl.

Проведем расчет по этому уравнению. (AlCl₃) = 250,08 / 133,5 = 0,015, (NaOH) = 250,08 / 40 = 0,05. AlCl₃ находится в недостатке. В результате данной реакции расходуется 0,0153 = 0,045 моль NaOH, и образуется 0,015 моль Al(OH)₃. Избыток NaOH в количестве 0,050,045 = 0,005 моль растворяет 0,005 моль Al(OH)₃ по уравнению:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].

Таким образом, в осадке остается 0,0150,005 = 0,01 моль Al(OH)₃. При прокаливании этого осадка в результате реакции

t

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

образуется 0,01/2 = 0,005 моль Al₂O₃ массой 0,005102=0,51 г.

Ответ. 0,51 г Al₂O₃.

Задача 139. Какую массу квасцов KAl(SO₄)₂12H₂O необходимо добавить к 500 г 6%-ного раствора сульфата калия, чтобы массовая доля последнего увеличилась вдвое? Найдите объем газа (при н.у.), который выделится при действии на полученный раствор избытка сульфида калия.

Решение. Масса исходного раствора  500 г, в нем содержится 30 г K₂SO₄ (M = 174). Добавим к раствору x моль квасцов KAl(SO₄)₂12H₂O (M = 474) (в них содержится x/2 моль K₂SO₄): m(KAl(SO₄)₂12H₂O) = 474x, m(K₂SO₄) = 30+174x/2 = 30+87x, m(р-ра) = 500+474x. По условию, массовая доля K₂SO₄ в конечном растворе равна 12%, т.е.

(30+87x) / (500+474x) = 0,12,

откуда x = 1,00. Масса добавленных квасцов равна m(KAl(SO₄)₂12H₂O) = 4741,00 = 474 г.

В образовавшемся растворе содержится x/2 = 0,500 моль Al₂(SO₄)₃, который реагирует с избытком K₂S по уравнению:

Al₂(SO₄)₃ + 3K₂S + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S + 3K₂SO₄.

По этому уравнению, (H₂S) = 3(Al₂(SO₄)₃) = 30,500 = 1,500 моль. V(H₂S) = 1,50022,4 = 33,6 л.

Ответ. 474 г KAl(SO₄)₂12H₂O; 33,6 л H₂S.