Страница 41 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

8. Как, не используя химических реакций, различить между собой две жидкости — бензин и воду?

Различить бензин и воду, не прибегая к химическим реакциям, можно несколькими способами, основанными на их различных физических свойствах. Ниже приведены некоторые из них.

Способ 1: По плотности и смешиваемости
Бензин и вода имеют разную плотность и не смешиваются друг с другом (вода — полярная жидкость, бензин — неполярная). Плотность воды при нормальных условиях составляет примерно $ \rho_{воды} \approx 1000 \, кг/м^3 $, в то время как плотность бензина значительно меньше — $ \rho_{бензина} \approx 710–770 \, кг/м^3 $. Если слить образцы обеих жидкостей в один прозрачный сосуд (например, в пробирку или стакан), они не смешаются, а разделятся, образовав два чётко видимых слоя. Бензин, как менее плотная жидкость, окажется в верхнем слое, а вода — в нижнем.

Ответ: Жидкость, которая при смешивании образует верхний слой, — это бензин, а та, что образует нижний слой, — вода.

Способ 2: По запаху
Одним из самых простых и быстрых способов является сравнение запахов. Бензин обладает сильным, резким и характерным запахом, который легко узнаваем. Чистая вода, в свою очередь, запаха не имеет. Достаточно осторожно понюхать обе жидкости, чтобы их различить. (Внимание: вдыхать пары бензина вредно для здоровья, поэтому делать это нужно с осторожностью, направляя запах к себе движением руки, а не поднося ёмкость близко к лицу).

Ответ: Жидкость с резким характерным запахом — бензин, жидкость без запаха — вода.

Способ 3: По скорости испарения (летучести)
Бензин является гораздо более летучей жидкостью, чем вода, из-за более слабых межмолекулярных сил. Это означает, что он испаряется значительно быстрее. Если нанести по капле каждой жидкости на одинаковую поверхность (например, на стекло или тыльную сторону ладони) и понаблюдать, то можно заметить, что капля бензина исчезнет (испарится) за гораздо более короткое время, чем капля воды.

Ответ: Жидкость, которая испаряется быстрее, — это бензин.

Способ 4: По температуре замерзания
Вода и бензин имеют разные температуры замерзания. Вода кристаллизуется (превращается в лёд) при температуре $0°C$ (при нормальном атмосферном давлении). Бензин же, будучи смесью углеводородов, замерзает при гораздо более низких температурах (около $-60°C$). Если поместить образцы обеих жидкостей в морозильную камеру бытового холодильника, где температура обычно поддерживается ниже $0°C$, то через некоторое время вода замёрзнет, а бензин останется в жидком состоянии.

Ответ: Жидкость, которая замёрзнет в стандартной морозильной камере, — это вода.

9. Основной компонент бензина — углеводород состава $C_8H_{18}$. Напишите уравнение реакции его получения из оксида углерода (II) и водорода.

Решение

Задача состоит в том, чтобы написать уравнение реакции получения углеводорода состава $C_8H_{18}$ (октан) из оксида углерода (II), химическая формула которого $CO$, и водорода, химическая формула $H_2$. Данный процесс является вариантом синтеза Фишера-Тропша.

1. Составим общую схему реакции. Реагентами являются оксид углерода(II) и водород, а продуктами — октан ($C_8H_{18}$) и вода ($H_2O$), которая образуется как побочный продукт.
Схема реакции: $CO + H_2 \rightarrow C_8H_{18} + H_2O$

2. Сбалансируем уравнение, расставив стехиометрические коэффициенты. Это необходимо для соблюдения закона сохранения масс.

Уравнивание атомов углерода (C):
В правой части в молекуле октана ($C_8H_{18}$) содержится 8 атомов углерода. Следовательно, в левую часть перед формулой оксида углерода ($CO$) необходимо поставить коэффициент 8.
$8CO + H_2 \rightarrow C_8H_{18} + H_2O$

Уравнивание атомов кислорода (O):
После уравнивания углерода в левой части стало 8 атомов кислорода (в $8CO$). Чтобы сбалансировать кислород, в правую часть перед формулой воды ($H_2O$) ставим коэффициент 8.
$8CO + H_2 \rightarrow C_8H_{18} + 8H_2O$

Уравнивание атомов водорода (H):
Теперь посчитаем количество атомов водорода в правой части уравнения: 18 атомов в $C_8H_{18}$ и $8 \times 2 = 16$ атомов в $8H_2O$. Общее количество атомов водорода справа: $18 + 16 = 34$. Для того чтобы в левой части было 34 атома водорода, необходимо поставить коэффициент 17 перед $H_2$ ($17 \times 2 = 34$).
$8CO + 17H_2 \rightarrow C_8H_{18} + 8H_2O$

3. Проверим правильность расстановки коэффициентов:
Слева: C - 8; O - 8; H - $17 \times 2 = 34$.
Справа: C - 8; H - $18 + (8 \times 2) = 18 + 16 = 34$; O - 8.
Количества атомов всех элементов в левой и правой частях равны, следовательно, уравнение составлено верно.

Ответ: $8CO + 17H_2 \rightarrow C_8H_{18} + 8H_2O$.

10. В регионах с жарким климатом газовые баллоны преимущественно заправляют бутаном, а с холодным климатом — пропаном. С чем это связано?

Выбор между пропаном и бутаном для заправки газовых баллонов обусловлен их различными физическими свойствами, в первую очередь, температурами кипения и, как следствие, давлением их насыщенных паров при разных температурах окружающей среды.

Основной принцип работы газового баллона заключается в том, что сжиженный газ внутри него испаряется, создавая давление, под которым газообразное топливо поступает к прибору (плите, обогревателю и т.д.). Для нормальной работы давление в баллоне должно быть достаточным, но не чрезмерно высоким из соображений безопасности.

Использование пропана ($C_3H_8$) в холодном климате.
Температура кипения пропана при атмосферном давлении составляет примерно $-42.1^\circ\text{C}$. Это означает, что пропан активно испаряется и создает достаточное рабочее давление даже при сильных морозах. Если в таких условиях использовать бутан, температура кипения которого около $-0.5^\circ\text{C}$, то при падении температуры ниже этой отметки он перестанет испаряться, останется в жидком состоянии, и подача газа прекратится. Поэтому для надежной работы газового оборудования зимой в регионах с холодным климатом используют пропан или пропан-бутановые смеси с высоким содержанием пропана.

Использование бутана ($C_4H_{10}$) в жарком климате.
С ростом температуры давление насыщенных паров любого сжиженного газа значительно увеличивается. Давление паров пропана растет с температурой гораздо быстрее, чем у бутана. В жарком климате, когда баллон может нагреться на солнце до $40-50^\circ\text{C}$ и выше, давление внутри баллона с пропаном может достигнуть опасно высоких значений, превышающих предел прочности баллона или его арматуры. Например, при температуре $40^\circ\text{C}$ давление паров пропана составляет около $13.5$ атмосфер, в то время как у бутана — всего около $3.7$ атмосферы.

Бутан, имея более низкое давление паров, является более безопасным для использования в условиях высоких температур. Его температура кипения ($-0.5^\circ\text{C}$) в жарком климате легко достигается, что обеспечивает стабильное испарение и достаточное для работы приборов давление, но без риска создания избыточного, опасного давления.

Ответ: Это связано с различием в температурах кипения и давлениях паров пропана и бутана. Пропан имеет очень низкую температуру кипения ($-42.1^\circ\text{C}$) и эффективно испаряется даже в сильный мороз, что делает его пригодным для холодного климата. Бутан, с температурой кипения $-0.5^\circ\text{C}$, в мороз не испаряется, но создает значительно меньшее давление при нагреве, чем пропан, что делает его более безопасным для использования в жарком климате, где высокое давление пропана может быть опасным.

11. Какой объём углекислого газа (н. у.) выделится при сжигании 32,3 мл циклогексана ($\rho = 0,78 \text{ г/мл}$)?

Дано:

$V(\text{C}_6\text{H}_{12}) = 32,3 \text{ мл}$

$\rho(\text{C}_6\text{H}_{12}) = 0,78 \text{ г/мл}$

Найти:

$V(\text{CO}_2)$ (н. у.) - ?

Решение:

1. Составим уравнение реакции полного сгорания циклогексана ($\text{C}_6\text{H}_{12}$). При сгорании органических веществ в избытке кислорода образуются углекислый газ ($\text{CO}_2$) и вода ($\text{H}_2\text{O}$). Уравняем химическую реакцию:

$\text{C}_6\text{H}_{12} + 9\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

2. Вычислим массу циклогексана, используя известную формулу для плотности $m = \rho \cdot V$:

$m(\text{C}_6\text{H}_{12}) = 0,78 \text{ г/мл} \cdot 32,3 \text{ мл} = 25,194 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярную массу циклогексана ($\text{C}_6\text{H}_{12}$). Для этого сложим молярные массы атомов, входящих в состав молекулы. Используем округленные значения атомных масс: $A_r(\text{C}) = 12 \text{ а.е.м.}$, $A_r(\text{H}) = 1 \text{ а.е.м.}$

$M(\text{C}_6\text{H}_{12}) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 = 84 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число моль) циклогексана по формуле $n = m/M$:

$n(\text{C}_6\text{H}_{12}) = \frac{25,194 \text{ г}}{84 \text{ г/моль}} \approx 0,29993 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции определим количество вещества выделившегося углекислого газа. Из уравнения видно, что из 1 моль циклогексана образуется 6 моль углекислого газа. Стехиометрическое соотношение $n(\text{C}_6\text{H}_{12}) : n(\text{CO}_2) = 1 : 6$.

$n(\text{CO}_2) = 6 \cdot n(\text{C}_6\text{H}_{12}) = 6 \cdot 0,29993 \text{ моль} \approx 1,79958 \text{ моль}$

6. Рассчитаем объем углекислого газа при нормальных условиях (н. у.). При н. у. (0 °C и 1 атм) молярный объем любого идеального газа ($V_m$) равен 22,4 л/моль. Используем формулу $V = n \cdot V_m$:

$V(\text{CO}_2) = 1,79958 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} \approx 40,31 \text{ л}$

Ответ: $40,31 \text{ л}$

12. Сжиженный под давлением бутан является топливом для зажигалок. Как вы думаете, почему он плохо зажигается на морозе?

Проблема с зажиганием бутановой зажигалки на морозе связана с физическими свойствами бутана и его зависимостью от температуры. Процесс горения в зажигалке происходит в несколько этапов:

1. Внутри зажигалки бутан хранится в сжиженном виде под высоким давлением.
2. При нажатии на клапан давление резко падает до атмосферного. Это вызывает интенсивное испарение (кипение) жидкого бутана.
3. Образовавшийся газообразный бутан смешивается с кислородом из окружающего воздуха.
4. Искра от кремня или пьезоэлемента поджигает эту газовоздушную смесь.

Ключевым фактором здесь является процесс испарения. Интенсивность испарения любого вещества напрямую зависит от его температуры. Чем ниже температура, тем медленнее движутся молекулы жидкости и тем труднее им преодолеть силы межмолекулярного притяжения, чтобы перейти в газовую фазу.

Температура кипения бутана при нормальном атмосферном давлении составляет примерно -0,5°C. Это означает, что при температурах ниже этого значения бутан не будет активно кипеть и испаряться при контакте с атмосферой. Давление его насыщенных паров становится очень низким.

Таким образом, на морозе (при температуре ниже 0°C) происходит следующее:

• Температура сжиженного бутана в зажигалке падает до температуры окружающей среды.
• Из-за низкой температуры скорость испарения бутана при открытии клапана оказывается недостаточной.
• В результате над соплом зажигалки не образуется газовоздушная смесь с концентрацией бутана, достаточной для воспламенения (то есть концентрация ниже нижнего предела воспламеняемости).
• Искра есть, но поджигать ей нечего, поэтому зажигалка не срабатывает.

Именно по этой причине, чтобы заставить зажигалку работать на морозе, ее часто предварительно согревают в руках или в кармане. Нагрев повышает температуру жидкого бутана, увеличивает давление его паров и скорость испарения, что позволяет создать горючую смесь.

Ответ: Сжиженный бутан плохо зажигается на морозе, потому что из-за низкой температуры его испарение сильно замедляется. В результате этого не образуется достаточного количества газообразного бутана для создания горючей смеси с воздухом, которую могла бы поджечь искра.

13. Цена сжиженного газа, предназначенного для заправки автомобилей, составляет 17,1 р. за 1 кг или 9 р. за 1 л. Во сколько раз сжиженный газ легче воды (плотность 1,0 г/мл)?

Дано:

Цена сжиженного газа по массе $C_m = 17,1$ р./кг

Цена сжиженного газа по объему $C_V = 9$ р./л

Плотность воды $\rho_{воды} = 1,0$ г/мл

Перевод всех данных в систему СИ:

$C_V = 9 \frac{\text{р.}}{\text{л}} = 9 \frac{\text{р.}}{10^{-3} \text{ м}^3} = 9000 \frac{\text{р.}}{\text{м}^3}$

$\rho_{воды} = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{мл}} = 1,0 \frac{10^{-3} \text{ кг}}{10^{-6} \text{ м}^3} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Найти:

Отношение плотности воды к плотности газа: $\frac{\rho_{воды}}{\rho_{газа}}$

Решение:

Чтобы определить, во сколько раз сжиженный газ легче воды, необходимо найти отношение плотности воды к плотности газа. Для этого сначала вычислим плотность сжиженного газа, используя данные о его цене.

Из условия задачи известно, что масса газа $m = 1$ кг стоит 17,1 рубля. Цена газа за объем в системе СИ составляет $C_V = 9000$ р./м³. Найдем, какой объем $V$ занимает 1 кг газа:

$V = \frac{\text{Стоимость массы m}}{\text{Цена за единицу объема}} = \frac{17,1 \text{ р.}}{9000 \text{ р./м}^3} = 0,0019 \text{ м}^3$

Теперь, зная массу и объем газа, можем вычислить его плотность $\rho_{газа}$ по формуле $\rho = \frac{m}{V}$:

$\rho_{газа} = \frac{1 \text{ кг}}{0,0019 \text{ м}^3} = \frac{1}{0,0019} \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Плотность воды в системе СИ, как мы уже определили, составляет $\rho_{воды} = 1000$ кг/м³.

Теперь найдем искомое отношение плотностей:

$\frac{\rho_{воды}}{\rho_{газа}} = \frac{1000 \text{ кг/м}^3}{\frac{1}{0,0019} \text{ кг/м}^3} = 1000 \times 0,0019 = 1,9$

Таким образом, плотность воды в 1,9 раза больше плотности сжиженного газа, а значит, газ легче воды в 1,9 раза.

Ответ: сжиженный газ легче воды в 1,9 раза.