Страница 195 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.14. Имеется 100 мл 36,5%-й соляной кислоты плотностью 1,18 г/мл. Какой объём хлора (н. у.) можно получить действием на неё: а) оксидом марганца (IV); б) бертолетовой солью?

Дано:

$V_{р-ра(HCl)} = 100$ мл

$\omega_{(HCl)} = 36,5\%$

$\rho_{р-ра(HCl)} = 1,18$ г/мл

н. у. (нормальные условия)

Найти:

a) $V_{(Cl_2)}$

б) $V_{(Cl_2)}$

Решение:

1. Вначале найдем массу 100 мл раствора соляной кислоты, используя её плотность:

$m_{р-ра(HCl)} = V_{р-ра(HCl)} \cdot \rho_{р-ра(HCl)} = 100 \text{ мл} \cdot 1,18 \text{ г/мл} = 118 \text{ г}$

2. Затем рассчитаем массу чистого хлороводорода (HCl) в этом растворе, используя массовую долю:

$m_{(HCl)} = m_{р-ра(HCl)} \cdot \omega_{(HCl)} = 118 \text{ г} \cdot 0,365 = 43,07 \text{ г}$

3. Вычислим молярную массу HCl. Она составляет приблизительно 36,5 г/моль.

$M_{(HCl)} \approx 36,5 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число молей) HCl, которое вступит в реакцию:

$n_{(HCl)} = \frac{m_{(HCl)}}{M_{(HCl)}} = \frac{43,07 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 1,18 \text{ моль}$

Теперь, зная количество вещества соляной кислоты, можно рассчитать объем хлора для каждого из двух случаев.

а) Действие оксидом марганца(IV)

Запишем уравнение химической реакции:

$4HCl + MnO_2 \rightarrow MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$

Из уравнения следует, что для получения 1 моля хлора ($Cl_2$) требуется 4 моля соляной кислоты ($HCl$).

Рассчитаем количество вещества хлора, которое можно получить из 1,18 моль HCl:

$n_{(Cl_2)} = \frac{1}{4} \cdot n_{(HCl)} = \frac{1}{4} \cdot 1,18 \text{ моль} = 0,295 \text{ моль}$

Объем газа при нормальных условиях (н. у.) вычисляется по формуле $V = n \cdot V_m$, где $V_m$ - молярный объем газа, равный 22,4 л/моль.

$V_{(Cl_2)} = 0,295 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 6,608 \text{ л}$

Округляя до трех значащих цифр, получаем 6,61 л.

Ответ: 6,61 л.

б) Действие бертолетовой солью

Бертолетова соль — это хлорат калия ($KClO_3$). Уравнение реакции с соляной кислотой:

$6HCl + KClO_3 \rightarrow KCl + 3Cl_2\uparrow + 3H_2O$

Из уравнения видно, что из 6 молей соляной кислоты образуется 3 моля хлора. Соотношение $n_{(HCl)} : n_{(Cl_2)}$ составляет 6:3 или 2:1.

Рассчитаем количество вещества хлора, которое можно получить:

$n_{(Cl_2)} = \frac{3}{6} \cdot n_{(HCl)} = \frac{1}{2} \cdot 1,18 \text{ моль} = 0,59 \text{ моль}$

Теперь найдем объем хлора при нормальных условиях:

$V_{(Cl_2)} = 0,59 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 13,216 \text{ л}$

Округляя до трех значащих цифр, получаем 13,2 л.

Ответ: 13,2 л.

7.15. При электролизе водного раствора хлорида натрия получили 80 кг гидроксида натрия. Какой объём хлора (н. у.) при этом образовался?

Дано:

$m(NaOH) = 80 \text{ кг}$

Перевод в систему СИ:

$m(NaOH) = 80 \times 1000 \text{ г} = 80000 \text{ г}$

Найти:

$V(Cl_2) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции электролиза водного раствора хлорида натрия:

$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2 \uparrow + Cl_2 \uparrow$

2. Рассчитаем молярную массу гидроксида натрия ($NaOH$):

$M(NaOH) = M(Na) + M(O) + M(H) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (число молей) гидроксида натрия, полученного в ходе реакции:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{80000 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 2000 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определим количество вещества хлора ($Cl_2$), которое образовалось. Стехиометрическое соотношение между гидроксидом натрия и хлором составляет 2:1.

$\frac{n(NaOH)}{2} = \frac{n(Cl_2)}{1}$

Отсюда количество вещества хлора:

$n(Cl_2) = \frac{n(NaOH)}{2} = \frac{2000 \text{ моль}}{2} = 1000 \text{ моль}$

5. Рассчитаем объем хлора при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем любого газа при н. у. ($V_m$) равен 22,4 л/моль.

$V(Cl_2) = n(Cl_2) \times V_m = 1000 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 22400 \text{ л}$

Так как 1 м³ = 1000 л, переведем объем в кубические метры:

$V(Cl_2) = 22400 \text{ л} = 22,4 \text{ м}^3$

Ответ: при этом образовался хлор объёмом $22,4 \text{ м}^3$.

7.16. Объясните, почему при получении хлора электролизом раствора поваренной соли нельзя использовать железный анод.

Решение

При электролизе водного раствора поваренной соли ($NaCl$) на аноде (положительно заряженном электроде) происходит процесс окисления. В данном случае за возможность окислиться конкурируют три участника: хлорид-ионы ($Cl^-$), молекулы воды ($H_2O$) и атомы материала, из которого сделан анод, то есть железа ($Fe$).

Чтобы определить, какой процесс пойдет в первую очередь, нужно сравнить их потенциалы окисления. Чем выше (более положительный) потенциал окисления, тем легче протекает процесс.

1. Окисление самого материала анода — железа (анодное растворение):
   $Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$
   Потенциал этой реакции окисления составляет $E_{ox} = +0.44$ В.
2. Окисление воды с образованием кислорода:
   $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 + 4H^+$
   Потенциал этой реакции окисления составляет $E_{ox} = -1.23$ В.
3. Окисление хлорид-ионов с образованием газообразного хлора:
   $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$
   Потенциал этой реакции окисления составляет $E_{ox} = -1.36$ В.

Сравнивая значения, мы видим, что потенциал окисления железа ($+0.44$ В) является самым высоким.

Это означает, что вместо того чтобы на аноде выделялся хлор (целевой продукт) или кислород, сам железный анод будет активно окисляться (растворяться), переходя в раствор в виде ионов железа ($Fe^{2+}$). Такой анод называется «активным» или «растворимым», в отличие от «инертного» (например, графитового), который не участвует в реакции.

Таким образом, использование железного анода не позволит получить целевой продукт — хлор, а приведет к разрушению анода и загрязнению электролита солями железа.

Ответ: Использовать железный анод при получении хлора электролизом раствора поваренной соли нельзя, потому что железо — химически активный металл. Его потенциал окисления ($E_{ox} = +0.44$ В) значительно выше, чем потенциал окисления хлорид-ионов ($E_{ox} = -1.36$ В). В результате на аноде будет происходить не выделение хлора, а окисление и растворение самого железного анода, что делает процесс получения хлора невозможным.

7.17. Температура замерзания охлаждающей смеси, содержащей 29,9% хлорида кальция и 70,1% воды по массе, равна –55 °C. В каком массовом отношении необходимо смешать гексагидрат хлорида кальция и воду для получения такой охлаждающей смеси?

Дано:

Массовая доля хлорида кальция в охлаждающей смеси $\omega(CaCl_2) = 29,9\%$

Массовая доля воды в охлаждающей смеси $\omega(H_2O) = 70,1\%$

Исходные вещества для приготовления смеси: гексагидрат хлорида кальция ($CaCl_2 \cdot 6H_2O$) и вода ($H_2O$).

Найти:

Массовое отношение $m(CaCl_2 \cdot 6H_2O) : m(H_2O)$.

Решение:

Для решения задачи необходимо определить, сколько гексагидрата хлорида кальция и сколько воды нужно смешать, чтобы получить конечную смесь с заданными массовыми долями компонентов. Будем исходить из того, что мы хотим приготовить 1000 г охлаждающей смеси.

1. Рассчитаем массы безводного хлорида кальция ($CaCl_2$) и воды ($H_2O$) в 1000 г конечной смеси:

Масса $CaCl_2$: $m(CaCl_2)_{\text{смесь}} = 1000 \text{ г} \times 0.299 = 299 \text{ г}$.

Масса $H_2O$: $m(H_2O)_{\text{смесь}} = 1000 \text{ г} \times 0.701 = 701 \text{ г}$.

2. Весь безводный хлорид кальция в конечной смеси поступает из гексагидрата хлорида кальция ($CaCl_2 \cdot 6H_2O$). Рассчитаем молярные массы и массовую долю $CaCl_2$ в его гексагидрате.

Относительные атомные массы: $Ar(Ca) = 40$, $Ar(Cl) = 35.5$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Молярная масса $CaCl_2$: $M(CaCl_2) = 40 + 2 \times 35.5 = 111$ г/моль.

Молярная масса $H_2O$: $M(H_2O) = 2 \times 1 + 16 = 18$ г/моль.

Молярная масса $CaCl_2 \cdot 6H_2O$: $M(CaCl_2 \cdot 6H_2O) = M(CaCl_2) + 6 \times M(H_2O) = 111 + 6 \times 18 = 219$ г/моль.

Массовая доля $CaCl_2$ в гексагидрате:

$\omega(CaCl_2)_{\text{гидрат}} = \frac{M(CaCl_2)}{M(CaCl_2 \cdot 6H_2O)} = \frac{111}{219} \approx 0.50685$

3. Найдем массу гексагидрата $m(CaCl_2 \cdot 6H_2O)$, которая потребуется для получения 299 г безводного $CaCl_2$:

$m(CaCl_2 \cdot 6H_2O) = \frac{m(CaCl_2)_{\text{смесь}}}{\omega(CaCl_2)_{\text{гидрат}}} = \frac{299 \text{ г}}{111/219} = 299 \times \frac{219}{111} \approx 589.92 \text{ г}$.

4. Вода в конечной смеси состоит из воды, добавленной отдельно, и кристаллизационной воды из гексагидрата. Рассчитаем массу воды, содержащейся в 589.92 г $CaCl_2 \cdot 6H_2O$:

$m(H_2O)_{\text{из гидрата}} = m(CaCl_2 \cdot 6H_2O) - m(CaCl_2)_{\text{смесь}} = 589.92 \text{ г} - 299 \text{ г} = 290.92 \text{ г}$.

5. Общая масса воды в конечной смеси равна 701 г. Теперь мы можем найти массу воды, которую необходимо добавить дополнительно:

$m(H_2O)_{\text{добавить}} = m(H_2O)_{\text{смесь}} - m(H_2O)_{\text{из гидрата}} = 701 \text{ г} - 290.92 \text{ г} = 410.08 \text{ г}$.

6. Таким образом, для приготовления 1000 г охлаждающей смеси необходимо смешать 589.92 г гексагидрата хлорида кальция и 410.08 г воды. Найдем их массовое отношение:

$\frac{m(CaCl_2 \cdot 6H_2O)}{m(H_2O)_{\text{добавить}}} = \frac{589.92}{410.08} \approx 1.4385$

Полученное значение очень близко к 1.44. Вероятно, в условии задачи использованы округленные данные. Округлим результат до двух значащих цифр после запятой.

Массовое отношение $\approx 1.44 : 1$.

Ответ: для получения такой охлаждающей смеси необходимо смешать гексагидрат хлорида кальция и воду в массовом отношении приблизительно $1.44 : 1$.

7.18. Соляную кислоту, полученную растворением 2 моль хлороводорода в воде, ввели в реакцию с избытком оксида свинца (IV). Хватит ли выделившегося хлора на окисление 1 г железа?

Дано:

Количество вещества хлороводорода, $n(HCl) = 2 \text{ моль}$

Масса железа, $m(Fe) = 1 \text{ г}$

Оксид свинца(IV) взят в избытке.

Масса железа в СИ: $m(Fe) = 1 \times 10^{-3} \text{ кг}$

Найти:

Хватит ли выделившегося хлора на окисление 1 г железа?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия соляной кислоты (раствора хлороводорода) с оксидом свинца(IV). В этой реакции свинец(IV) является окислителем, а хлорид-ион – восстановителем.

$PbO_2 + 4HCl \rightarrow PbCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

По условию задачи, оксид свинца(IV) взят в избытке, следовательно, соляная кислота прореагирует полностью и является лимитирующим реагентом. Расчет количества выделившегося хлора будем вести по количеству HCl.

2. Найдем количество вещества хлора ($Cl_2$), которое выделилось в ходе реакции. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, из 4 моль HCl образуется 1 моль $Cl_2$.

Составим пропорцию:

$\frac{n(HCl)}{4} = \frac{n(Cl_2)}{1}$

Отсюда количество вещества выделившегося хлора:

$n_{выд}(Cl_2) = \frac{n(HCl)}{4} = \frac{2 \text{ моль}}{4} = 0.5 \text{ моль}$

3. Теперь определим, какое количество хлора необходимо для окисления 1 г железа. Хлор — сильный окислитель и окисляет железо до степени окисления +3, образуя хлорид железа(III).

Запишем уравнение реакции:

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

4. Вычислим количество вещества в 1 г железа. Молярная масса железа $M(Fe) \approx 56 \text{ г/моль}$.

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{1 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} \approx 0.01786 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции окисления железа определим, какое количество вещества хлора потребуется. Согласно уравнению, на 2 моль Fe расходуется 3 моль $Cl_2$.

Составим пропорцию:

$\frac{n(Fe)}{2} = \frac{n_{необх}(Cl_2)}{3}$

Отсюда необходимое количество вещества хлора:

$n_{необх}(Cl_2) = \frac{3 \times n(Fe)}{2} = \frac{3 \times 0.01786 \text{ моль}}{2} \approx 0.02679 \text{ моль}$

6. Сравним количество выделившегося хлора с количеством, необходимым для реакции:

$n_{выд}(Cl_2) = 0.5 \text{ моль}$

$n_{необх}(Cl_2) \approx 0.02679 \text{ моль}$

Так как $0.5 \text{ моль} > 0.02679 \text{ моль}$, количество выделившегося хлора значительно превышает количество, необходимое для окисления 1 г железа.

Ответ: Да, выделившегося хлора хватит на окисление 1 г железа.

7.19. В замкнутом сосуде взорвали смесь водорода с хлором. Изменилось ли давление внутри сосуда, если температура после завершения реакции вернулась к исходной?

Дано:

Замкнутый сосуд ($V = \text{const}$)
Смесь газов: водород ($H_2$) и хлор ($Cl_2$)
Начальная температура: $T_1$
Конечная температура: $T_2 = T_1$

Найти:

Изменилось ли давление $P$ в сосуде?

Решение:

Давление газа в замкнутом сосуде можно описать с помощью уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева-Клапейрона): $P \cdot V = n \cdot R \cdot T$, где $P$ - давление, $V$ - объем, $n$ - количество вещества (число молей) газа, $R$ - универсальная газовая постоянная, а $T$ - абсолютная температура.

Из этого уравнения следует, что давление $P = \frac{nRT}{V}$.

В условиях задачи объем сосуда $V$ постоянен, так как сосуд замкнутый. Универсальная газовая постоянная $R$ является константой. Также дано, что начальная и конечная температуры равны ($T_1 = T_2$). Следовательно, изменение давления может быть вызвано только изменением количества вещества (количества молей) газа $n$ в сосуде. Если количество молей газа до и после реакции одинаково ($n_1=n_2$), то и давление не изменится ($P_1=P_2$).

Рассмотрим уравнение химической реакции между водородом и хлором: $H_2(г) + Cl_2(г) \rightarrow 2HCl(г)$

Из стехиометрии этого уравнения видно, что из 1 моля газообразного водорода и 1 моля газообразного хлора (что в сумме составляет 2 моля исходных веществ) образуется 2 моля газообразного хлороводорода (продукта реакции).

Таким образом, общее количество молей газа в системе не изменяется в результате реакции. Даже если один из реагентов был в избытке, общее число молей до и после реакции останется тем же. Например, если в реакцию вступило $x$ молей $H_2$ и $x$ молей $Cl_2$, то образовалось $2x$ молей $HCl$. Количество молей газа до реакции ($x+x=2x$) равно количеству молей газа после реакции ($2x$).

Поскольку количество вещества $n$, объем $V$ и температура $T$ в начальном и конечном состояниях одинаковы, то, согласно уравнению состояния, давление $P$ также не изменится.

Ответ: Давление внутри сосуда не изменилось.

7.20. Смесь водорода с хлором, имеющую среднюю молярную массу 13,5, взорвали. Найдите объёмные доли газов в конечной смеси.

Дано:

Смесь газов $H_2$ и $Cl_2$

Средняя молярная масса исходной смеси $M_{ср} = 13,5$ г/моль

Найти:

$\phi_{кон}(H_2), \phi_{кон}(Cl_2), \phi_{кон}(HCl)$ - ?

Решение:

1. Определим состав исходной газовой смеси. Средняя молярная масса смеси двух компонентов вычисляется по формуле:

$M_{ср} = \phi(H_2) \cdot M(H_2) + \phi(Cl_2) \cdot M(Cl_2)$

где $\phi$ – объёмная (и мольная) доля компонента, а $M$ – его молярная масса.

Молярные массы водорода и хлора:

$M(H_2) = 2$ г/моль

$M(Cl_2) = 2 \cdot 35,5 = 71$ г/моль

Пусть объёмная доля водорода $\phi(H_2) = x$, тогда объёмная доля хлора $\phi(Cl_2) = 1 - x$, так как сумма долей всех компонентов равна 1.

Подставим известные значения в формулу средней молярной массы:

$13,5 = x \cdot 2 + (1-x) \cdot 71$

$13,5 = 2x + 71 - 71x$

$71x - 2x = 71 - 13,5$

$69x = 57,5$

$x = \frac{57,5}{69} = \frac{5}{6}$

Таким образом, состав исходной смеси:

$\phi_{исх}(H_2) = \frac{5}{6}$

$\phi_{исх}(Cl_2) = 1 - \frac{5}{6} = \frac{1}{6}$

Это означает, что в исходной смеси на каждые 5 моль водорода приходится 1 моль хлора.

2. Запишем уравнение реакции, происходящей при взрыве смеси:

$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

Из уравнения следует, что водород и хлор реагируют в мольном соотношении 1:1. В нашей смеси соотношение количеств веществ $n(H_2) : n(Cl_2) = 5:1$. Следовательно, хлор находится в недостатке (является лимитирующим реагентом) и прореагирует полностью, а водород – в избытке.

3. Рассчитаем состав конечной смеси. Для удобства расчетов примем, что в исходной смеси было 5 моль $H_2$ и 1 моль $Cl_2$.

Весь хлор (1 моль) вступит в реакцию. Согласно стехиометрии, с 1 моль $Cl_2$ прореагирует 1 моль $H_2$.

Количество оставшегося (избыточного) водорода: $n_{кон}(H_2) = n_{исх}(H_2) - n_{прореаг}(H_2) = 5 \text{ моль} - 1 \text{ моль} = 4 \text{ моль}$.

Количество образовавшегося хлороводорода $HCl$: $n_{кон}(HCl) = 2 \cdot n_{прореаг}(Cl_2) = 2 \cdot 1 \text{ моль} = 2 \text{ моль}$.

Конечная смесь состоит из 4 моль $H_2$ и 2 моль $HCl$. Хлор в конечной смеси отсутствует.

4. Найдем объёмные доли газов в конечной смеси. Общее количество вещества в конечной смеси:

$n_{кон.общ} = n_{кон}(H_2) + n_{кон}(HCl) = 4 \text{ моль} + 2 \text{ моль} = 6 \text{ моль}$.

Объёмные доли газов равны их мольным долям:

$\phi_{кон}(H_2) = \frac{n_{кон}(H_2)}{n_{кон.общ}} = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}$

$\phi_{кон}(HCl) = \frac{n_{кон}(HCl)}{n_{кон.общ}} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}$

$\phi_{кон}(Cl_2) = 0$

В процентном соотношении:

$\phi_{кон}(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 100\% \approx 66,67\%$

$\phi_{кон}(HCl) = \frac{1}{3} \cdot 100\% \approx 33,33\%$

Ответ: объёмная доля водорода ($H_2$) в конечной смеси составляет $2/3$ (или 66,67%), объёмная доля хлороводорода ($HCl$) - $1/3$ (или 33,33%).

7.21. В газовом баллоне содержится 30 кг жидкого хлора. Какой объём займёт этот хлор при 25 °C и атмосферном давлении?

Дано:

$m = 30 \text{ кг}$
$t = 25°C$
$P = \text{атмосферное давление}$

Перевод в систему СИ:
$T = 25 + 273.15 = 298.15 \text{ К}$
$P \approx 101325 \text{ Па}$

Найти:

$V - ?$

Решение:

При температуре $25°C$ и атмосферном давлении хлор находится в газообразном состоянии. Для нахождения объёма газа воспользуемся уравнением состояния идеального газа (уравнением Менделеева-Клапейрона):

$PV = nRT$

где $P$ — давление газа, $V$ — объём газа, $n$ — количество вещества, $R$ — универсальная газовая постоянная ($R \approx 8.314 \frac{\text{Дж}}{\text{моль} \cdot \text{К}}$), $T$ — абсолютная температура газа в Кельвинах.

Количество вещества $n$ можно найти через массу $m$ и молярную массу $M$:

$n = \frac{m}{M}$

Хлор — это двухатомный газ ($Cl_2$). Молярная масса хлора $Cl_2$ равна сумме атомных масс двух атомов хлора. Атомная масса хлора $Cl$ приблизительно равна $35.5 \text{ г/моль}$.

$M(Cl_2) = 2 \times 35.5 = 71 \text{ г/моль} = 0.071 \text{ кг/моль}$.

Подставим выражение для $n$ в уравнение состояния идеального газа:

$PV = \frac{m}{M}RT$

Выразим из этого уравнения объём $V$:

$V = \frac{mRT}{MP}$

Теперь подставим числовые значения в полученную формулу:

$V = \frac{30 \text{ кг} \cdot 8.314 \frac{\text{Дж}}{\text{моль} \cdot \text{К}} \cdot 298.15 \text{ К}}{0.071 \frac{\text{кг}}{\text{моль}} \cdot 101325 \text{ Па}}$

$V \approx \frac{74364.5}{7194.075} \approx 10.34 \text{ м}^3$

Ответ: объём, который займёт хлор, составляет примерно $10.34 \text{ м}^3$.

7.22. Хлорная известь, часто описываемая условной формулой ${\mathrm{СаОСl}}_2,$ представляет собой смешанную соль. Дайте ей химическое название.

Решение

Хлорная известь, описываемая условной формулой $CaOCl_2$, является представителем смешанных солей. Смешанные соли — это соли, которые содержат один вид катионов и несколько видов анионов, или, наоборот, несколько видов катионов и один вид анионов.

Чтобы дать веществу химическое название, необходимо проанализировать его ионный состав. Формулу $CaOCl_2$ более точно можно представить как $Ca(OCl)Cl$. Эта запись наглядно показывает, что соединение образовано одним двухзарядным катионом кальция ($Ca^{2+}$) и двумя разными однозарядными анионами: гипохлорит-ионом ($OCl^{-}$) и хлорид-ионом ($Cl^{-}$). Общий отрицательный заряд анионов $(-1) + (-1) = -2$ уравновешивает положительный заряд катиона кальция $+2$.

Согласно правилам номенклатуры ИЮПАК (Международного союза теоретической и прикладной химии), название смешанной соли формируется путем перечисления названий анионов в алфавитном порядке, после чего следует название катиона. В русской химической номенклатуре принято сначала указывать название аниона(ов), а затем — название катиона в родительном падеже.

Названия анионов в русском языке: гипохлорит (начинается на букву «г») и хлорид (начинается на букву «х»).

В русском алфавите буква «г» стоит раньше буквы «х», поэтому правильный порядок перечисления анионов: гипохлорит, затем хлорид. Анионы в названии соединяются дефисом.

Таким образом, полное химическое название соединения $Ca(OCl)Cl$ — гипохлорит-хлорид кальция.

Ответ: гипохлорит-хлорид кальция.

7.23. Реальная формула хлорной извести $3\mathrm{СаСl}\left(\mathrm{ОСl}\right) · \mathrm{Са}{\left(\mathrm{ОН}\right)}_2 · 5{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}.$ Запишите уравнение реакции её образования при пропускании хлора через суспензию гидроксида кальция в воде. Рассчитайте массовую долю активного хлора в этом веществе.

Уравнение реакции её образования

Для того чтобы записать уравнение реакции образования хлорной извести с формулой $3\text{CaCl(OCl)} \cdot \text{Ca(OH)}_2 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$, необходимо сбалансировать атомы в реагентах (хлор $Cl_2$ и гидроксид кальция $Ca(OH)_2$ в водной суспензии) и продукте.

Сначала определим суммарное количество атомов каждого элемента в одной формульной единице продукта:

• Атомов кальция (Ca): $3+1 = 4$
• Атомов хлора (Cl): $3 \times (1 \text{ в } Cl^- + 1 \text{ в } OCl^-) = 6$
• Атомов кислорода (O): $3 \text{ в } (OCl)^- + 2 \text{ в } (OH)_2 + 5 \text{ в } H_2O = 3+2+5 = 10$
• Атомов водорода (H): $2 \text{ в } (OH)_2 + 5 \times 2 \text{ в } H_2O = 2+10 = 12$

Итоговая брутто-формула продукта: $Ca_4Cl_6O_{10}H_{12}$.

Теперь подберем коэффициенты для реагентов, чтобы получить такое же количество атомов:

1. Для получения 4 атомов Ca необходимо взять 4 молекулы $Ca(OH)_2$. Это даст нам 4 атома Ca, $4 \times 2 = 8$ атомов O и $4 \times 2 = 8$ атомов H.
2. Для получения 6 атомов Cl необходимо взять 3 молекулы $Cl_2$.

На данный момент в левой части уравнения ($3Cl_2 + 4Ca(OH)_2$) содержится: 6 атомов Cl, 4 атома Ca, 8 атомов O и 8 атомов H.

Сравнивая с составом продукта ($Ca_4Cl_6O_{10}H_{12}$), видим, что в реагентах не хватает $10-8=2$ атомов кислорода и $12-8=4$ атомов водорода. Это соответствует двум молекулам воды ($2H_2O$), которые должны находиться в левой части уравнения, так как реакция протекает в водной среде.

Таким образом, сбалансированное уравнение реакции имеет вид:

$3Cl_2 + 4Ca(OH)_2 + 2H_2O \rightarrow 3\text{CaCl(OCl)} \cdot \text{Ca(OH)}_2 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$

Ответ: $3Cl_2 + 4Ca(OH)_2 + 2H_2O \rightarrow 3\text{CaCl(OCl)} \cdot \text{Ca(OH)}_2 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$

Расчет массовой доли активного хлора

Под "активным хлором" понимают условное содержание в хлорной извести хлора, который способен выделяться в свободном виде ($Cl_2$) при действии на нее разбавленных кислот. Этот хлор обладает окислительными и отбеливающими свойствами. Источником активного хлора является гипохлорит-ион $OCl^-$, в котором хлор имеет степень окисления +1.

Реакция с кислотой для смешанной соли гипохлорита и хлорида кальция выглядит так:

$CaCl(OCl) + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + Cl_2 \uparrow$

Из уравнения следует, что каждая формульная единица $CaCl(OCl)$ выделяет одну молекулу $Cl_2$. Так как в составе нашей хлорной извести содержится 3 таких единицы ($3\text{CaCl(OCl)}$), то 1 моль всего соединения будет выделять 3 моль активного хлора ($Cl_2$).

Дано:

Найти:

Массовую долю активного хлора, $\omega(\text{акт. } Cl_2)$.

Решение:

1. Вычислим молярную массу соединения $3\text{CaCl(OCl)} \cdot \text{Ca(OH)}_2 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$.

Используем атомные массы: $A_r(Ca) = 40$, $A_r(Cl) = 35.5$, $A_r(O) = 16$, $A_r(H) = 1$.

Молярная масса $M$ равна сумме масс всех атомов в формуле $Ca_4Cl_6O_{10}H_{12}$:

$M = 4 \times A_r(Ca) + 6 \times A_r(Cl) + 10 \times A_r(O) + 12 \times A_r(H)$

$M = 4 \times 40 + 6 \times 35.5 + 10 \times 16 + 12 \times 1 = 160 + 213 + 160 + 12 = 545$ г/моль.

2. Определим массу активного хлора ($m(\text{акт. } Cl_2)$), выделяющегося из 1 моль вещества.

Как было показано, 1 моль соединения выделяет 3 моль $Cl_2$.

Молярная масса хлора $M(Cl_2) = 2 \times 35.5 = 71$ г/моль.

$m(\text{акт. } Cl_2) = 3 \times M(Cl_2) = 3 \times 71 = 213$ г.

3. Рассчитаем массовую долю активного хлора по формуле:

$\omega(\text{акт. } Cl_2) = \frac{m(\text{акт. } Cl_2)}{M(\text{соединения})} \times 100\%$

$\omega(\text{акт. } Cl_2) = \frac{213}{545} \times 100\% \approx 0.39082... \times 100\% \approx 39.08\%$

Ответ: Массовая доля активного хлора составляет $39.08\%$.

7.24. При действии мочевины ${\left({\mathrm{NH}}_2\right)}_2\mathrm{CO}$ на хлорную известь выделяется бесцветный газ, не изменяющий окраски лакмусовой бумажки. Запишите уравнение реакции.

В данной задаче описывается окислительно-восстановительная реакция между мочевиной $(NH_2)_2CO$ и хлорной известью. Хлорная известь представляет собой смесь веществ, основными компонентами которой являются гипохлорит кальция $Ca(OCl)_2$ (окислитель) и гидроксид кальция $Ca(OH)_2$ (создает щелочную среду).

Согласно условию, в результате реакции выделяется бесцветный газ, не изменяющий окраску лакмусовой бумажки. Это свойство характерно для молекулярного азота $N_2$, который является продуктом окисления мочевины. В молекуле мочевины азот имеет степень окисления -3, а в молекуле азота — 0.

Окислителем выступает гипохлорит-ион $OCl^-$, в котором хлор имеет степень окисления +1. В ходе реакции он восстанавливается до хлорид-иона $Cl^-$ со степенью окисления -1.

Углерод из мочевины окисляется до диоксида углерода $CO_2$. Однако, $CO_2$ — это кислотный оксид, который в водном растворе образует угольную кислоту, изменяющую цвет лакмуса. Поскольку выделяющийся газ нейтрален, это означает, что $CO_2$ не выделяется в свободном виде. В щелочной среде, создаваемой гидроксидом кальция, $CO_2$ вступает в реакцию, образуя нерастворимый карбонат кальция $CaCO_3$.

Таким образом, продуктами реакции являются азот $N_2$, карбонат кальция $CaCO_3$, хлорид кальция $CaCl_2$ и вода $H_2O$.

Для составления уравнения реакции воспользуемся методом электронного баланса:

$2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0$ | 1 | (окисление)
$Cl^{+1} + 2e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 3 | (восстановление)

Из баланса видно, что на 2 атома азота (1 молекула мочевины) приходится 3 атома хлора в степени окисления +1. Для получения 6 атомов $Cl^{+1}$ необходимо взять 3 молекулы $Ca(OCl)_2$. Соответственно, для соблюдения стехиометрии потребуется 2 молекулы мочевины $2(NH_2)_2CO$.

Суммарное уравнение реакции, учитывающее все реагенты и продукты, будет выглядеть следующим образом:

$2(NH_2)_2CO + 3Ca(OCl)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow 2N_2\uparrow + 2CaCO_3\downarrow + 3CaCl_2 + 6H_2O$

Проверим правильность расстановки коэффициентов, подсчитав количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения:

• Азот (N): слева $2 \cdot 2 = 4$; справа $2 \cdot 2 = 4$.
• Водород (H): слева $2 \cdot 4 + 2 \cdot 2 = 12$; справа $6 \cdot 2 = 12$.
• Углерод (C): слева $2 \cdot 1 = 2$; справа $2 \cdot 1 = 2$.
• Кислород (O): слева $2 \cdot 1 + 3 \cdot 2 + 2 \cdot 2 = 2 + 6 + 4 = 12$; справа $2 \cdot 3 + 6 \cdot 1 = 6 + 6 = 12$.
• Кальций (Ca): слева $3 + 2 = 5$; справа $2 + 3 = 5$.
• Хлор (Cl): слева $3 \cdot 2 = 6$; справа $3 \cdot 2 = 6$.

Все атомы сбалансированы, уравнение составлено верно.

Ответ: $2(NH_2)_2CO + 3Ca(OCl)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow 2N_2\uparrow + 2CaCO_3\downarrow + 3CaCl_2 + 6H_2O$

7.25. В замкнутом сосуде нагрели 6,2 г фосфора и 8,96 л хлора (н. у.). Какие вещества и в каком количестве содержатся в сосуде после завершения реакции?

Дано:

$m(\text{P}) = 6,2 \text{ г}$

$V(\text{Cl}_2) = 8,96 \text{ л (н. у.)}$

Найти:

состав и количество веществ в сосуде после реакции.

Решение:

1. Запишем возможные уравнения реакции взаимодействия фосфора с хлором. В зависимости от соотношения реагентов могут образовываться хлорид фосфора(III) или хлорид фосфора(V).

При недостатке хлора (или избытке фосфора):

$2\text{P} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_3$

При избытке хлора:

$2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_5$

2. Чтобы определить, какие продукты образуются и в каком количестве, найдем количество вещества (в молях) исходных реагентов.

Молярная масса фосфора $M(\text{P}) = 31 \text{ г/моль}$.

Количество вещества фосфора:

$n(\text{P}) = \frac{m(\text{P})}{M(\text{P})} = \frac{6,2 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Молярный объем газа при нормальных условиях (н. у.) составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

Количество вещества хлора:

$n(\text{Cl}_2) = \frac{V(\text{Cl}_2)}{V_m} = \frac{8,96 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,4 \text{ моль}$

3. Определим соотношение реагентов, чтобы понять, какие продукты образуются. Рассчитаем соотношение количества атомов хлора к количеству атомов фосфора в реакционной смеси:

$\frac{n(\text{Cl})}{n(\text{P})} = \frac{2 \times n(\text{Cl}_2)}{n(\text{P})} = \frac{2 \times 0,4 \text{ моль}}{0,2 \text{ моль}} = \frac{0,8}{0,2} = 4$

В молекуле $\text{PCl}_3$ это соотношение равно 3, а в молекуле $\text{PCl}_5$ оно равно 5. Поскольку полученное соотношение (4) находится между 3 и 5, это означает, что хлора недостаточно для превращения всего фосфора в $\text{PCl}_5$, но его больше, чем необходимо для образования только $\text{PCl}_3$. Следовательно, в результате реакции образуется смесь двух продуктов: хлорида фосфора(III) ($\text{PCl}_3$) и хлорида фосфора(V) ($\text{PCl}_5$), при этом оба исходных реагента прореагируют полностью.

4. Рассчитаем количество образовавшихся продуктов. Пусть в реакции образовалось $x$ моль $\text{PCl}_3$ и $y$ моль $\text{PCl}_5$. Составим систему уравнений на основе закона сохранения массы (баланса атомов).

Уравнение по балансу атомов фосфора:

$x + y = n(\text{P}) = 0,2$

Уравнение по балансу атомов хлора:

$3x + 5y = n(\text{Cl}) = 2 \times n(\text{Cl}_2) = 0,8$

Решим полученную систему уравнений:

$\begin{cases} x + y = 0,2 \\ 3x + 5y = 0,8 \end{cases}$

Из первого уравнения выразим $x$: $x = 0,2 - y$.

Подставим это выражение во второе уравнение:

$3(0,2 - y) + 5y = 0,8$

$0,6 - 3y + 5y = 0,8$

$2y = 0,8 - 0,6$

$2y = 0,2$

$y = 0,1 \text{ моль}$

Теперь найдем $x$:

$x = 0,2 - y = 0,2 - 0,1 = 0,1 \text{ моль}$

Таким образом, после завершения реакции в сосуде будут находиться $0,1 \text{ моль}$ хлорида фосфора(III) и $0,1 \text{ моль}$ хлорида фосфора(V).

Ответ:

После завершения реакции в сосуде содержатся два вещества: $0,1 \text{ моль}$ хлорида фосфора(III) ($\text{PCl}_3$) и $0,1 \text{ моль}$ хлорида фосфора(V) ($\text{PCl}_5$).

7.26. С какими из перечисленных веществ вступает в химическую реакцию соляная кислота? Запишите уравнения реакций. Вещества: магний, уголь, углекислый газ, оксид марганца (VII), нитрат калия, нитрат серебра, гидрокарбонат натрия, сульфид бария, метиламин, фенол, трет-бутиловый спирт.

Соляная кислота ($HCl$) — сильная одноосновная кислота. Она вступает в химические реакции, характерные для сильных кислот. Проанализируем взаимодействие соляной кислоты с каждым из предложенных веществ.

Магний

Магний ($Mg$) — активный металл, находящийся в ряду активности металлов левее водорода. Он реагирует с соляной кислотой с вытеснением водорода и образованием соли — хлорида магния.

Уравнение реакции: $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$.

Уголь

Уголь (углерод, $C$) — неметалл. Он не реагирует с соляной кислотой, так как соляная кислота (в отличие от, например, концентрированной азотной) не является достаточно сильным окислителем для окисления углерода.

Ответ: Не вступает в реакцию.

Углекислый газ

Углекислый газ ($CO_2$) является кислотным оксидом, ангидридом угольной кислоты. Кислоты не реагируют с кислотными оксидами.

Ответ: Не вступает в реакцию.

Оксид марганца(VII)

Оксид марганца(VII) ($Mn_2O_7$) — это высший оксид марганца, обладающий кислотными свойствами и являющийся очень сильным окислителем. Соляная кислота, особенно концентрированная, проявляет восстановительные свойства за счет хлорид-иона ($Cl^-$). Происходит окислительно-восстановительная реакция, в которой марганец восстанавливается, а хлор окисляется.

Уравнение реакции: $Mn_2O_7 + 14HCl_{(конц.)} \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 \uparrow + 7H_2O$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $Mn_2O_7 + 14HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 \uparrow + 7H_2O$.

Нитрат калия

Нитрат калия ($KNO_3$) — соль сильного основания ($KOH$) и сильной кислоты ($HNO_3$). Реакция ионного обмена с соляной кислотой невозможна, так как все возможные продукты ($KCl$, $HNO_3$) являются растворимыми и сильными электролитами. Реакция не идет до конца.

Ответ: Не вступает в реакцию.

Нитрат серебра

Нитрат серебра ($AgNO_3$) реагирует с соляной кислотой. Это качественная реакция на хлорид-ионы. В результате реакции ионного обмена образуется нерастворимый в воде и кислотах белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

Уравнение реакции: $AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$.

Гидрокарбонат натрия

Гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) — кислая соль слабой угольной кислоты. Как и все карбонаты и гидрокарбонаты, он реагирует с сильными кислотами с выделением углекислого газа, так как образующаяся угольная кислота ($H_2CO_3$) неустойчива и разлагается.

Уравнение реакции: $NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$.

Сульфид бария

Сульфид бария ($BaS$) — соль слабой сероводородной кислоты ($H_2S$). При взаимодействии с соляной кислотой происходит реакция обмена с выделением газообразного сероводорода, обладающего характерным запахом тухлых яиц.

Уравнение реакции: $BaS + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2S \uparrow$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $BaS + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2S \uparrow$.

Метиламин

Метиламин ($CH_3NH_2$) — органическое вещество класса аминов, является производным аммиака. Как и аммиак, он проявляет основные свойства благодаря наличию неподеленной электронной пары у атома азота. Метиламин реагирует с соляной кислотой по типу реакции нейтрализации с образованием соли — хлорида метиламмония.

Уравнение реакции: $CH_3NH_2 + HCl \rightarrow [CH_3NH_3]Cl$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $CH_3NH_2 + HCl \rightarrow [CH_3NH_3]Cl$.

Фенол

Фенол ($C_6H_5OH$) проявляет очень слабые кислотные свойства (более слабые, чем у угольной кислоты). Как кислота, он не реагирует с другими кислотами.

Ответ: Не вступает в реакцию.

Трет-бутиловый спирт

Трет-бутиловый спирт ($(CH_3)_3COH$) — третичный спирт. В отличие от первичных и вторичных спиртов, третичные спирты легко вступают в реакцию нуклеофильного замещения с галогеноводородными кислотами (например, с концентрированной $HCl$) уже при комнатной температуре с образованием соответствующего галогеналкана.

Уравнение реакции: $(CH_3)_3COH + HCl \rightarrow (CH_3)_3CCl + H_2O$

Ответ: Вступает в реакцию. Уравнение: $(CH_3)_3COH + HCl \rightarrow (CH_3)_3CCl + H_2O$.