Wodorotlenki

Jak to rozwiązać — od masy tlenku do stężenia jonów

Krok 1. Mole Fe₂O₃: $n=\dfrac{0{,}040}{159{,}7}=2{,}5\cdot10^{-4}$ mol.

Krok 2. Mole Fe³⁺: w 1 molu Fe₂O₃ są 2 mole Fe → $n_{Fe^{3+}}=2\cdot2{,}5\cdot10^{-4}=5{,}0\cdot10^{-4}$ mol.

Krok 3. Stężenie (w 0,1 dm³): $c=\dfrac{5{,}0\cdot10^{-4}}{0{,}1}=\mathbf{5{,}0\cdot10^{-3}}$ mol·dm⁻³.

✔ Zgodne z kluczem: 0,005 mol·dm⁻³.

Zadanie: Rozstrzygnięcie, w której probówce otrzymano osad tylko wodorotlenku miedzi(II) (który następnie ulega rozkładowi do tlenku miedzi(II)).

1. Krok 1 – Analiza reakcji w Probówce I ($\text{Ba(OH)}_2$ + $\text{CuCl}_2$)

   Zapis reakcji jonowej i cząsteczkowej:

   $$\text{Ba(OH)}_2 + \text{CuCl}_2 \rightarrow \text{Cu(OH)}_2 \downarrow + \text{BaCl}_2$$

   Chlorek baru ($\text{BaCl}_2$) jest dobrze rozpuszczalny w wodzie – pozostaje w roztworze. Jedynym osadem jest wodorotlenek miedzi(II) $\text{Cu(OH)}_2$ (osad niebieski).

   Po rozkładzie termicznym wodorotlenku miedzi(II):

   $$\text{Cu(OH)}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{CuO} \downarrow + \text{H}_2\text{O}$$

   Tlenek miedzi(II) $\text{CuO}$ jest nierozpuszczalny – pozostaje jako osad. Nie powstaje żaden inny osad. Po przesączeniu uzyskuje się czysty tlenek miedzi(II).

2. Krok 2 – Analiza reakcji w Probówce II ($\text{Ba(OH)}_2$ + $\text{CuSO}_4$)

   Zapis reakcji cząsteczkowej:

   $$\text{Ba(OH)}_2 + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{Cu(OH)}_2 \downarrow + \text{BaSO}_4 \downarrow$$

   Siarczan baru ($\text{BaSO}_4$) jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie – strąca się jako biały osad. W probówce II powstają dwa osady jednocześnie: niebieski $\text{Cu(OH)}_2$ oraz biały $\text{BaSO}_4$.

   Po rozkładzie termicznym $\text{Cu(OH)}_2$:

   $$\text{Cu(OH)}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{CuO} \downarrow + \text{H}_2\text{O}$$

   Siarczan baru nie ulega rozkładowi w łaźni wodnej (jego rozkład wymaga temperatury powyżej 1400°C). Po przesączeniu osad zawiera zarówno $\text{CuO}$, jak i $\text{BaSO}_4$ – mieszaninę dwóch tlenków metali (lub tlenku i siarczanu), co wyklucza otrzymanie czystego $\text{CuO}$.

3. Krok 3 – Rozstrzygnięcie

   Porównanie obu probówek:

   • Probówka I: powstaje tylko jeden osad ($\text{Cu(OH)}_2$), który po rozkładzie termicznym daje wyłącznie $\text{CuO}$ – cel doświadczenia zostaje osiągnięty.
   • Probówka II: powstają dwa osady ($\text{Cu(OH)}_2$ i $\text{BaSO}_4$), a po rozkładzie termicznym osad zawiera $\text{CuO}$ i $\text{BaSO}_4$ – cel doświadczenia nie zostaje osiągnięty.

Wynik końcowy:

Czysty tlenek miedzi(II) otrzymano w Probówce I. Wynika to z faktu, że chlorek baru $\text{BaCl}_2$ powstający w tej reakcji jest dobrze rozpuszczalny w wodzie i nie tworzy osadu, dzięki czemu jedynym produktem stałym jest $\text{Cu(OH)}_2$, a po jego rozkładzie termicznym – wyłącznie $\text{CuO}$. W Probówce II oprócz $\text{Cu(OH)}_2$ strąca się również nierozpuszczalny $\text{BaSO}_4$, który nie ulega rozkładowi w łaźni wodnej, co uniemożliwia otrzymanie czystego tlenku miedzi(II).

Aby zidentyfikować wodorotlenki w probówkach I i II, należy przeanalizować obserwacje po kolejnych dodaniach odczynników.

1. Krok 1: Identyfikacja barwy zawiesin

   W obu probówkach I i II pojawia się zawiesina barwy białej. Spośród czterech wymienionych wodorotlenków:

   • $\text{Cr(OH)}_3$ — barwa szarozielona (lub zielona)
   • $\text{Ca(OH)}_2$ — barwa biała ✓
   • $\text{Cu(OH)}_2$ — barwa niebieska
   • $\text{Al(OH)}_3$ — barwa biała ✓

   Zawiesiny białe to zatem $\text{Ca(OH)}_2$ oraz $\text{Al(OH)}_3$. Probówki I i II zawierają właśnie te dwa wodorotlenki — pozostaje ustalić, który jest w której probówce.

2. Krok 2: Analiza zachowania po dodaniu $\text{HCl(aq)}$

   W obu probówkach po dodaniu kwasu solnego zawiesina ulega rozpuszczeniu i powstaje klarowny roztwór. Jest to zgodne z właściwościami obu wodorotlenków:

   • $$\text{Ca(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$
   • $$\text{Al(OH)}_3 + 3\text{HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

   Oba chlorki ($\text{CaCl}_2$ i $\text{AlCl}_3$) są dobrze rozpuszczalne w wodzie — obserwacja klarownych roztworów nie różnicuje jeszcze probówek.

3. Krok 3: Analiza zachowania po dodaniu $\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)}$

   To etap kluczowy dla rozróżnienia probówek:

   • Probówka I → zawiesina (osad): Oznacza to, że produkt reakcji jest trudno rozpuszczalny. Siarczan(VI) wapnia $\text{CaSO}_4$ jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie: $$\text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CaSO}_4\downarrow + 2\text{HCl}$$ Powstaje biały osad $\text{CaSO}_4$. Zatem w probówce I znajdował się $\text{Ca(OH)}_2$.
   • Probówka II → klarowny roztwór: Oznacza to, że produkt reakcji jest dobrze rozpuszczalny. Siarczan(VI) glinu $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ jest dobrze rozpuszczalny w wodzie: $$2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 6\text{HCl}$$ Roztwór pozostaje klarowny. Zatem w probówce II znajdował się $\text{Al(OH)}_3$.
4. Krok 4: Podsumowanie wyników

   Na podstawie powyższej analizy:

Wynik końcowy:

• Probówka I: $\text{Ca(OH)}_2$ — biały osad z $\text{H}_2\text{SO}_4$ (nierozpuszczalny $\text{CaSO}_4$)
• Probówka II: $\text{Al(OH)}_3$ — klarowny roztwór z $\text{H}_2\text{SO}_4$ (rozpuszczalny $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$)

Zadanie 7.2 – Równania reakcji dla probówek III i IV

Analiza kontekstu

Na podstawie opisu doświadczenia:

• Probówka III – ogrzewanie w łaźni wodnej dało czarny osad → jest to wodorotlenek, który przy ogrzewaniu ulega rozkładowi do czarnego tlenku. Czarny tlenek metalu przejściowego to tlenek miedzi(II) – $\text{CuO}$, co oznacza, że w probówce III znajdował się wodorotlenek miedzi(II) $\text{Cu(OH)}_2$ (niebieski osad).
• Probówka IV – dodanie $\text{NaOH}$ dało zielony roztwór → zielone zabarwienie w środowisku silnie zasadowym jest charakterystyczne dla jonów tetrahydroksochromianowych(III) $[\text{Cr(OH)}_4]^-$, co oznacza, że w probówce IV była zawiesina wodorotlenku chromu(III) $\text{Cr(OH)}_3$ (zielony osad amfoteryczny).

Reakcja 1. – Termiczny rozkład wodorotlenku miedzi(II) (forma cząsteczkowa)

1. Krok 1 – Identyfikacja substratów i produktów.

   Wodorotlenek miedzi(II) $\text{Cu(OH)}_2$ pod wpływem ciepła ulega rozkładowi na tlenek miedzi(II) i wodę:

   • Substrat: $\text{Cu(OH)}_2$
   • Produkty: $\text{CuO}$ (czarny osad) oraz $\text{H}_2\text{O}$
2. Krok 2 – Zapis równania cząsteczkowego i sprawdzenie bilansu.

   Porównanie atomów po obu stronach:

   • Cu: 1 = 1 ✓
   • O: 2 = 1 + 1 = 2 ✓
   • H: 2 = 2 ✓

Wynik – Reakcja 1.:

Reakcja 2. – Roztwarzanie wodorotlenku chromu(III) w NaOH (forma jonowa skrócona)

1. Krok 1 – Zapis równania cząsteczkowego.

   Wodorotlenek chromu(III) jest amfoteryczny – reaguje z mocną zasadą ($\text{NaOH}$), tworząc rozpuszczalny kompleks:

   $$\text{Cr(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}[\text{Cr(OH)}_4]$$
2. Krok 2 – Identyfikacja form jonowych.

   Rozkład na jony:

   • $\text{Cr(OH)}_3$ – osad (słabo rozpuszczalny), pozostaje w formie cząsteczkowej
   • $\text{NaOH}$ – mocna zasada, dysocjuje w pełni: $\text{Na}^+ + \text{OH}^-$
   • $\text{Na}[\text{Cr(OH)}_4]$ – sól rozpuszczalna, dysocjuje w pełni: $\text{Na}^+ + [\text{Cr(OH)}_4]^-$
3. Krok 3 – Skrócenie jonów widmowych.

   Jon $\text{Na}^+$ występuje po obu stronach równania – eliminujemy go jako jon widmowy.

4. Krok 4 – Zapis jonowy skrócony.

   Pozostają tylko reagujące cząstki:

Wynik – Reakcja 2.:

Podsumowanie

Rozwiązanie

• Etap 1: wodorotlenek potasu (KOH).
• Etap 2: kwas etanowy (CH₃COOH).
• Etap 3: azotan(V) baru (Ba(NO₃)₂) — siarczan(VI) baru jest nierozpuszczalny.

Rozwiązanie

Do strącenia $0{,}1$ mmol Zn(OH)₂ trzeba $0{,}2$ mmol OH⁻, do roztworzenia — kolejne $0{,}2$ mmol. I ($0{,}1$ mmol OH⁻) i II ($0{,}2$ mmol) — osad pozostaje; III ($0{,}6$ mmol) — osad się roztwarza. Osad w probówkach I i II.

Rozwiązanie

Zidentyfikowano jony Mg (probówka II). Wodorotlenki Zn(OH)₂ i Al(OH)₃ są amfoteryczne i roztwarzają się w nadmiarze NaOH, natomiast Mg(OH)₂ (zasadowy) nie roztwarza się — jednoznacznie wskazuje to na jony Mg²⁺.

Rozwiązanie

Ni²⁺ $+ 2$OH⁻ $\to$ Ni(OH)₂↓. Charakter chemiczny: zasadowy (nie roztwarza się w nadmiarze NaOH, reaguje z kwasami).