9 клас НУШ. Самооцінювання навчальних результатів із теми 2 "Досліджуємо хімічні реакції в розчинах"

1) Понад два століття науковці вивчають здатність різноманітних сполук пропускати електричний струм у водному середовищі та у розплавленому стані. Завдяки цим дослідженням з'явився поділ усіх речовин на дві великі категорії. Перша група — це сполуки, чиї водні розчини або розплави здатні проводити електрику (їх називають електролітами). Друга група — речовини, розчини яких не мають такої властивості (неелектроліти).

До першої категорії потрапляють сполуки з іонною структурою та речовини з дуже полярними ковалентними зв'язками: солі різних типів, гідроксиди металів та кислоти. Щоб перевірити їхні властивості, достатньо розчинити їх у воді (якщо в таблиці розчинності біля них стоїть позначка "р"). Натомість до неелектролітів відносять такі речовини як H₂O, газоподібні O₂, H₂, рідкий HCl, елементи P та S, цукор, крохмальні сполуки тощо.

2) Для дослідження здатності речовин проводити електричний струм використовують спеціальний пристрій, що складається з джерела живлення, провідників, лампочки та двох електродів, занурених у досліджуваний розчин. Коли в розчині наявні заряджені частинки — йони, вони рухаються до електродів, створюючи електричний струм, що призводить до світіння лампочки.

Наприклад, якщо розчинити кухонну сіль (NaCl) у воді, лампочка засвітиться, адже розчин містить рухливі катіони Na⁺ та аніони Cl⁻. Аналогічно відбувається з розчином хлороводню — у ньому присутні катіони H⁺ та аніони Cl⁻, що забезпечують провідність. Цей процес розпаду речовин на йони під дією полярних молекул розчинника називають електролітичною дисоціацією.

3) Молекули кислот мають молекулярну будову, але під впливом полярних молекул води вони розпадаються на йони. У результаті в розчині з'являються позитивно заряджені йони Гідрогену та негативно заряджені залишки кислоти. Наприклад: HCl розпадається на H⁺ і Cl⁻, а HNO₃ — на H⁺ і NO₃⁻.

Коли в молекулі кислоти міститься декілька атомів Гідрогену, відщеплення відбувається поетапно. Візьмемо сірчану кислоту H₂SO₄: спочатку відщеплюється один H⁺, утворюючи HSO₄⁻, потім від цього йона відщеплюється ще один H⁺, даючи SO₄^2-. Загальне рівняння виглядає так: H₂SO₄ ⇄ 2H⁺ + SO₄^2-. Саме присутність йонів H⁺ визначає спільні властивості всіх кислот — вони однаково впливають на індикатори та реагують з основами.

4) Розчинні гідроксиди металів (луги) при розчиненні розпадаються на позитивні йони металу та гідроксид-аніони OH⁻. Цей процес також може відбуватися поступово. Наприклад, NaOH миттєво розпадається на Na⁺ і OH⁻, а Ca(OH)₂ спочатку утворює CaOH⁺ і OH⁻, а потім CaOH⁺ розпадається далі на Ca²⁺ і OH⁻.

Підсумкове рівняння для кальцій гідроксиду: Ca(OH)₂ ⇄ Ca²⁺ + 2OH⁻. Наявність гідроксид-аніонів у всіх лугах пояснює їхні спільні характеристики: мильність на дотик, специфічний вплив на індикатори та здатність нейтралізувати кислоти. Виняток становить амоній гідроксид NH₄OH, у якого замість катіона металу присутній складний катіон амонію NH₄⁺.

5) Розчини поділяють на три типи за характером середовища: кисле, лужне та нейтральне. Кисле середовище характеризується наявністю йонів H⁺, лужне — присутністю OH⁻, а нейтральне не містить жодних з цих йонів у значній кількості. Індикатори — це спеціальні речовини, що змінюють своє забарвлення залежно від середовища розчину.

Лакмус у кислому середовищі стає червоним, у нейтральному залишається фіолетовим, а в лужному синіє. Метилоранж у кислоті червоніє, у нейтральному та лужному середовищі жовтіє. Фенолфталеїн безбарвний у кислому та нейтральному середовищі, але малиновіє в лужному. Ці властивості широко використовують для швидкого визначення типу розчину.

6) Солі — це електроліти, що розпадаються на катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків. Виняток становлять солі амонію, де замість металу присутній NH₄⁺. Для оцінки повноти дисоціації використовують поняття ступеня дисоціації (α) — відношення кількості розпавшихся молекул до загальної кількості розчинених частинок, виражене у відсотках або долях.

Речовини з іонним зв'язком або дуже полярним ковалентним зв'язком легко розпадаються на йони — це сильні електроліти (α близький до 1 або 100 %). Менш полярні сполуки дисоціюють частково — це слабкі електроліти. Важливо, що на ступінь дисоціації впливає концентрація: чим розбавленіший розчин, тим більше молекул розпадається. Також підвищення температури зазвичай збільшує ступінь дисоціації.

7) Навіть чиста вода дуже незначною мірою розпадається на йони: H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻. При 22°C лише одна мільярдна частина молекул дисоціює, що дає концентрацію кожного йона 10⁻⁷ моль/л. Оскільки користуватися такими числами незручно, у 1909 році запровадили водневий показник pH — ціле число з протилежним знаком до показника концентрації.

Для чистої води pH = 7 (нейтральне середовище). Кислі розчини мають pH < 7, лужні — pH > 7. Шкала pH охоплює значення від 1 до 14, де 1 відповідає дуже кислому середовищу (велика концентрація H⁺), а 14 — дуже лужному (велика концентрація OH⁻). Цей показник широко використовується в хімії, біології, медицині та екології для характеристики розчинів.

8) Реакції між електролітами в розчинах описують трьома типами рівнянь. Молекулярне рівняння показує формули всіх речовин. Повне йонне рівняння відображає всі йони, що беруть участь у реакції, причому електроліти записують у дисоційованій формі. Скорочене йонне рівняння містить тільки ті йони, що безпосередньо утворюють продукт реакції.

Таблиця розчинності — це інструмент, що показує, чи розчиняється певна сполука у воді. На перетині рядка (катіона) та стовпця (аніона) стоїть літера: "р" — розчинна, "н" — нерозчинна, "м" — малорозчинна. Якщо продукт реакції нерозчинний (випадає осад), малорозчинний або є слабким електролітом (наприклад, вода), реакція відбувається. Важлива умова: карбонатна кислота H₂CO₃ нестійка і відразу розкладається на H₂O та CO₂, тому в рівняннях пишуть саме ці продукти.

Поясни, чому розчин цукру (C₁₂H₂₂O₁₁) не проводить електричний струм, а розчин кухонної солі (NaCl) проводить.

Напиши рівняння електролітичної дисоціації фосфатної кислоти H₃PO₄, враховуючи, що процес відбувається поетапно.

У тебе є три пробірки з безбарвними розчинами: розчин сульфатної кислоти, розчин натрій гідроксиду та розчин глюкози. Як за допомогою універсального індикатора або лакмусу можна визначити, в якій пробірці знаходиться кожна речовина? Опиши зміни забарвлення та поясни, чому вони відбуваються на йонному рівні.

Склади молекулярне, повне йонне та скорочене йонне рівняння реакції між розчинами барій хлориду та натрій сульфату. Поясни, чому ця реакція відбувається, та вкажи ознаку реакції. Які йони є йонами-глядачами у цій реакції?

Розчин A має pH = 3, розчин B має pH = 11, розчин C має pH = 7. Визнач тип середовища кожного розчину. У якому розчині концентрація йонів H⁺ найбільша, а у якому — концентрація OH⁻ найбільша?

Використовуючи таблицю розчинності, визнач, чи відбудуться реакції між такими парами речовин:

а) розчин калій гідроксиду та розчин натрій хлориду;

б) розчин кальцій нітрату та розчин калій карбонату;

в) розчин купрум(II) сульфату та розчин барій нітрату.

Для кожної пари поясни свою відповідь і, якщо реакція відбувається, напиши скорочене йонне рівняння.

Опиши, як можна експериментально довести наявність хлорид-аніонів у невідомому розчині. Напиши скорочене йонне рівняння відповідної якісної реакції, вкажи реактив, який потрібно використати, та опиши ознаку реакції. Чому цей осад не розчиняється навіть у сильних кислотах?

Поясни, що таке ступінь дисоціації електроліту. Як зміниться ступінь дисоціації оцтової кислоти (слабкого електроліту), якщо:

а) розбавити її розчин водою удвічі;

б) підвищити температуру розчину? Обґрунтуй свої відповіді

Тепер виконайте підготовку до діагностувальної роботи.