Страница 201 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.67. Какая масса железной окалины образуется при прокаливании 8 г оксида железа(III)?

Дано:
$m(Fe_2O_3) = 8 \text{ г}$

Найти:
$m(Fe_3O_4) - ?$

Решение:
При прокаливании оксида железа(III) происходит его частичное разложение с образованием железной окалины (смешанного оксида железа(II,III)) и выделением кислорода. Запишем уравнение этой химической реакции:

$6Fe_2O_3 \xrightarrow{t} 4Fe_3O_4 + O_2$

1. Рассчитаем молярные массы оксида железа(III) ($Fe_2O_3$) и железной окалины ($Fe_3O_4$). Для этого используем относительные атомные массы элементов: $Ar(Fe) \approx 56$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot Ar(Fe) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160 \text{ г/моль}$

$M(Fe_3O_4) = 3 \cdot Ar(Fe) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества (число моль) оксида железа(III), содержащееся в 8 г:

$n(Fe_2O_3) = \frac{m(Fe_2O_3)}{M(Fe_2O_3)} = \frac{8 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0.05 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества железной окалины, которое образуется из 0.05 моль оксида железа(III).
Соотношение количеств веществ $Fe_2O_3$ и $Fe_3O_4$ равно соотношению их стехиометрических коэффициентов в уравнении:

$\frac{n(Fe_3O_4)}{n(Fe_2O_3)} = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}$

Отсюда, количество вещества железной окалины:

$n(Fe_3O_4) = n(Fe_2O_3) \cdot \frac{2}{3} = 0.05 \text{ моль} \cdot \frac{2}{3} = \frac{0.1}{3} \text{ моль} \approx 0.0333 \text{ моль}$

4. Теперь вычислим массу образовавшейся железной окалины:

$m(Fe_3O_4) = n(Fe_3O_4) \cdot M(Fe_3O_4) = \frac{0.1}{3} \text{ моль} \cdot 232 \text{ г/моль} = \frac{23.2}{3} \text{ г} \approx 7.73 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся железной окалины составляет примерно 7.73 г.

7.68. Кислород можно получить при взаимодействии хлорной извести с пероксидом натрия. Запишите уравнение реакции.

Решение

Данная задача описывает окислительно-восстановительную реакцию, в ходе которой из пероксида натрия и хлорной извести получают кислород. Для написания уравнения реакции необходимо определить реагенты, продукты, а также составить баланс электронов.

1. Определение реагентов и их окислительно-восстановительных свойств.
Хлорная известь — это технический продукт, состав которого можно условно выразить формулой $CaOCl_2$ (или $Ca(OCl)Cl$). В этом соединении содержатся атомы хлора в двух степенях окисления: +1 (в гипохлорит-ионе $OCl^-$) и -1 (в хлорид-ионе $Cl^-$). Атом хлора в степени окисления +1 является сильным окислителем.
Пероксид натрия — имеет формулу $Na_2O_2$. В этом соединении кислород находится в степени окисления -1, поэтому пероксид натрия может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. В данном случае он будет восстановителем, так как реагирует с сильным окислителем.

2. Анализ окислительно-восстановительных процессов.
В ходе реакции кислород из пероксида натрия будет окисляться, а хлор из гипохлорита — восстанавливаться.
- Процесс окисления (восстановитель $Na_2O_2$): кислород в степени окисления -1 переходит в степень окисления 0, образуя молекулярный кислород $O_2$.
$2O^{-1} - 2e^- \rightarrow O_2^0$
- Процесс восстановления (окислитель $CaOCl_2$): хлор в степени окисления +1 принимает электроны и переходит в степень окисления -1, образуя хлорид-ион $Cl^-$.
$Cl^{+1} + 2e^- \rightarrow Cl^{-1}$

3. Составление уравнения реакции.
Из полуреакций видно, что на 1 атом хлора $(Cl^{+1})$ требуется 2 атома кислорода $(O^{-1})$. В одной формульной единице $CaOCl_2$ содержится один атом $Cl^{+1}$, а в одной формульной единице $Na_2O_2$ — два атома $O^{-1}$. Таким образом, стехиометрическое соотношение реагентов составляет 1:1.

Составим уравнение, учитывая все продукты:
- $Na_2O_2$ отдает два электрона, превращаясь в $O_2$ и оксид-ион $O^{2-}$, который связывается с катионами натрия, образуя оксид натрия $Na_2O$. - $Cl^{+1}$ из $CaOCl_2$ принимает два электрона и становится $Cl^{-1}$. В результате оба атома хлора в исходном соединении оказываются в степени окисления -1, образуя с кальцием хлорид кальция $CaCl_2$.

Итоговое уравнение реакции имеет вид: $CaOCl_2 + Na_2O_2 \rightarrow CaCl_2 + Na_2O + O_2 \uparrow$

Проверим баланс атомов:

• Ca: 1 слева, 1 справа
• O: 1 + 2 = 3 слева, 1 + 2 = 3 справа
• Cl: 2 слева, 2 справа
• Na: 2 слева, 2 справа

Ответ: $CaOCl_2 + Na_2O_2 \rightarrow CaCl_2 + Na_2O + O_2$

7.69. Смесь озона с кислородом имеет среднюю молярную массу 40. Найдите объёмную долю озона в смеси.

Дано:

Смесь газов: озон ($O_3$) и кислород ($O_2$)

Средняя молярная масса смеси ($M_{ср}$) = 40 г/моль

Найти:

Объёмную долю озона в смеси ($\phi(O_3)$) - ?

Решение:

Средняя молярная масса газовой смеси ($M_{ср}$) вычисляется по формуле:

$M_{ср} = \phi_1 \cdot M_1 + \phi_2 \cdot M_2 + \dots + \phi_n \cdot M_n = \sum_{i=1}^{n} \phi_i \cdot M_i$

где $\phi_i$ - объёмная (или мольная) доля i-го компонента в смеси, а $M_i$ - молярная масса i-го компонента.

В нашем случае смесь состоит из двух компонентов: озона ($O_3$) и кислорода ($O_2$).

1. Рассчитаем молярные массы озона и кислорода, используя относительную атомную массу кислорода $Ar(O) \approx 16 \text{ а.е.м.}$

Молярная масса кислорода ($M(O_2)$):

$M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$

Молярная масса озона ($M(O_3)$):

$M(O_3) = 3 \cdot 16 = 48 \text{ г/моль}$

2. Обозначим объёмную долю озона $\phi(O_3)$ через $x$.

Поскольку сумма объёмных долей всех компонентов смеси равна 1, то объёмная доля кислорода $\phi(O_2)$ будет равна:

$\phi(O_2) = 1 - \phi(O_3) = 1 - x$

3. Подставим все известные значения в формулу для средней молярной массы:

$M_{ср} = \phi(O_3) \cdot M(O_3) + \phi(O_2) \cdot M(O_2)$

$40 = x \cdot 48 + (1 - x) \cdot 32$

4. Решим полученное уравнение относительно $x$:

$40 = 48x + 32 - 32x$

$40 - 32 = 48x - 32x$

$8 = 16x$

$x = \frac{8}{16}$

$x = 0.5$

Таким образом, объёмная доля озона в смеси составляет 0.5, или 50%.

Ответ: объёмная доля озона в смеси составляет 0.5 (или 50%).

7.70. Объём воздуха, содержащего 21% кислорода, 78% азота и 1% аргона (об.), после прохождения через озонатор уменьшился на 1%. Найдите объёмную долю озона в воздухе.

Дано:

Начальный объёмный состав воздуха:
$\phi_{нач}(O_2) = 21\% = 0.21$
$\phi_{нач}(N_2) = 78\% = 0.78$
$\phi_{нач}(Ar) = 1\% = 0.01$
Уменьшение общего объёма смеси после прохождения через озонатор: 1%

Найти:

Объёмную долю озона ($\phi_{кон}(O_3)$) в полученной газовой смеси.

Решение:

При прохождении воздуха через озонатор часть кислорода ($O_2$) превращается в озон ($O_3$). Азот ($N_2$) и аргон ($Ar$) являются инертными газами в данных условиях и в реакции не участвуют, поэтому их объёмы не изменяются.

Уравнение реакции превращения кислорода в озон: $$3O_2 \rightarrow 2O_3$$

Согласно закону Авогадро, при постоянных температуре и давлении объёмы реагирующих газов соотносятся как их стехиометрические коэффициенты. Из уравнения реакции следует, что из 3 объёмов кислорода образуется 2 объёма озона. При этом происходит уменьшение объёма системы.

Для удобства расчётов примем начальный объём воздуха $V_{нач} = 100$ условных единиц (например, литров). Тогда начальные объёмы компонентов составляют:
$V_{нач}(O_2) = 0.21 \times 100 = 21$ л
$V(N_2) = 0.78 \times 100 = 78$ л
$V(Ar) = 0.01 \times 100 = 1$ л

Общий объём смеси уменьшился на 1%, следовательно, абсолютное уменьшение объёма составляет:
$\Delta V = 0.01 \times V_{нач} = 0.01 \times 100 = 1$ л

Конечный объём смеси после реакции равен:
$V_{кон} = V_{нач} - \Delta V = 100 \text{ л} - 1 \text{ л} = 99$ л

Пусть объём прореагировавшего кислорода равен $x$. Тогда, согласно уравнению реакции, объём образовавшегося озона составит $\frac{2}{3}x$.

Уменьшение объёма газовой смеси произошло только за счёт реакции превращения кислорода в озон:
$\Delta V = V_{O_2, \text{прореаг.}} - V_{O_3, \text{образ.}} = x - \frac{2}{3}x = \frac{1}{3}x$

Мы знаем, что $\Delta V = 1$ л, поэтому можем найти $x$:
$\frac{1}{3}x = 1$ л
Отсюда объём прореагировавшего кислорода $x = 3$ л.

Теперь найдём объём образовавшегося озона:
$V(O_3) = \frac{2}{3}x = \frac{2}{3} \times 3 \text{ л} = 2$ л

Объёмная доля озона в конечной смеси равна отношению объёма озона к конечному общему объёму смеси:
$\phi_{кон}(O_3) = \frac{V(O_3)}{V_{кон}} = \frac{2 \text{ л}}{99 \text{ л}} \approx 0.020202...$

Для выражения результата в процентах, умножим полученное значение на 100%:
$\phi_{кон}(O_3) \approx 0.0202 \times 100\% \approx 2.02\%$

Ответ: объёмная доля озона в воздухе составляет примерно 2.02%.

7.71. При взаимодействии озона с хлороводородом образуются два простых вещества и одно сложное. Запишите уравнение реакции.

Решение

В условии задачи указано, что при взаимодействии озона с хлороводородом образуются три вещества: два простых и одно сложное.

1. Определим реагенты.
Озон имеет химическую формулу $O_3$.
Хлороводород имеет химическую формулу $HCl$.

2. Определим возможные продукты.
Реагенты состоят из атомов трех химических элементов: кислорода ($O$), водорода ($H$) и хлора ($Cl$).
Простое вещество состоит из атомов одного элемента. Из данных элементов можно образовать следующие простые вещества: кислород ($O_2$), хлор ($Cl_2$) и водород ($H_2$).
Сложное вещество состоит из атомов нескольких элементов. Из данных элементов можно образовать, например, воду ($H_2O$) или различные оксиды хлора и хлорсодержащие кислоты.

3. Составим уравнение реакции.
Озон ($O_3$) является сильным окислителем. Он будет окислять хлороводород ($HCl$), в котором хлор имеет степень окисления -1. При окислении хлор перейдет в степень окисления 0, образуя простое вещество — газообразный хлор ($Cl_2$). Сам озон при этом восстанавливается, превращаясь в более устойчивую форму — кислород ($O_2$), который также является простым веществом. Водород из $HCl$ и оставшийся кислород из $O_3$ образуют сложное вещество — воду ($H_2O$).
Таким образом, продуктами реакции являются два простых вещества ($Cl_2$ и $O_2$) и одно сложное ($H_2O$), что полностью соответствует условию задачи.

Схема реакции выглядит следующим образом:
$HCl + O_3 \rightarrow Cl_2 + O_2 + H_2O$

4. Уравняем (сбалансируем) химическое уравнение.
Слева 1 атом хлора, справа — 2. Поставим коэффициент 2 перед $HCl$:
$2HCl + O_3 \rightarrow Cl_2 + O_2 + H_2O$
Теперь проверим количество атомов каждого элемента слева и справа:
- Водород ($H$): слева 2, справа 2. (равно)
- Хлор ($Cl$): слева 2, справа 2. (равно)
- Кислород ($O$): слева 3, справа 2 + 1 = 3. (равно)
Уравнение сбалансировано.

Ответ: $2HCl + O_3 \rightarrow Cl_2 + H_2O + O_2$

7.72. Смесь озона с кислородом имеет плотность по водороду 18. Найдите мольные доли газов в смеси.

Дано:

Смесь газов: озон ($O_3$) и кислород ($O_2$).

Плотность смеси по водороду $D_{H_2}(\text{смеси}) = 18$.

Найти:

Мольную долю озона $\chi(O_3)$ — ?

Мольную долю кислорода $\chi(O_2)$ — ?

Решение:

1. Определим среднюю молярную массу газовой смеси ($M_{ср}$). Относительная плотность газа (или смеси газов) по другому газу (в данном случае по водороду) — это отношение их молярных масс.

$D_{H_2}(\text{смеси}) = \frac{M_{ср}}{M(H_2)}$

Молярная масса водорода $M(H_2) \approx 2$ г/моль.

Используя эту формулу, мы можем вычислить среднюю молярную массу смеси:

$M_{ср} = D_{H_2}(\text{смеси}) \cdot M(H_2) = 18 \cdot 2 \frac{г}{моль} = 36 \frac{г}{моль}$

2. Средняя молярная масса смеси также определяется как сумма произведений молярных масс компонентов на их мольные доли ($\chi$).

$M_{ср} = \chi(O_3) \cdot M(O_3) + \chi(O_2) \cdot M(O_2)$

Вычислим молярные массы озона и кислорода:

$M(O_3) = 3 \cdot 16 \frac{г}{моль} = 48 \frac{г}{моль}$

$M(O_2) = 2 \cdot 16 \frac{г}{моль} = 32 \frac{г}{моль}$

3. Обозначим мольную долю озона как $x$, то есть $\chi(O_3) = x$. Сумма мольных долей всех компонентов в смеси равна 1, следовательно, мольная доля кислорода будет $\chi(O_2) = 1 - x$.

4. Подставим все известные значения в уравнение для средней молярной массы и решим его относительно $x$:

$36 = x \cdot 48 + (1 - x) \cdot 32$

$36 = 48x + 32 - 32x$

$36 - 32 = 48x - 32x$

$4 = 16x$

$x = \frac{4}{16} = 0.25$

5. Таким образом, мы нашли мольные доли газов в смеси:

Мольная доля озона: $\chi(O_3) = x = 0.25$.

Мольная доля кислорода: $\chi(O_2) = 1 - x = 1 - 0.25 = 0.75$.

Для наглядности можно выразить доли в процентах: 25% озона и 75% кислорода.

Ответ: мольная доля озона в смеси составляет 0.25 (или 25%), мольная доля кислорода — 0.75 (или 75%).

7.73. Масса 10 л (н. у.) озонированного кислорода равна 15 г. Определите объёмный состав смеси.

Дано:

$V_{смеси} = 10 \text{ л}$
$m_{смеси} = 15 \text{ г}$
Условия: н. у. (нормальные условия)

$V_{смеси} = 10 \text{ л} = 0.01 \text{ м}^3$
$m_{смеси} = 15 \text{ г} = 0.015 \text{ кг}$

Найти:

$\phi(O_2) - ?$
$\phi(O_3) - ?$

Решение:

Озонированный кислород представляет собой газовую смесь кислорода ($O_2$) и озона ($O_3$). Общий объём смеси по условию составляет 10 л.
При нормальных условиях (н. у.) молярный объём любого газа $V_m$ равен 22,4 л/моль.

Вычислим молярные массы кислорода и озона, используя атомную массу кислорода $Ar(O) = 16$ а.е.м.:
$M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$
$M(O_3) = 3 \cdot 16 = 48 \text{ г/моль}$

Пусть объём озона ($O_3$) в смеси равен $x$ л. Тогда, поскольку общий объём смеси равен 10 л, объём кислорода ($O_2$) будет равен $(10 - x)$ л.

Найдём количество вещества (число молей) для каждого компонента смеси по формуле $n = \frac{V}{V_m}$:
Количество вещества озона: $n(O_3) = \frac{x}{22.4} \text{ моль}$
Количество вещества кислорода: $n(O_2) = \frac{10 - x}{22.4} \text{ моль}$

Масса каждого компонента вычисляется по формуле $m = n \cdot M$ :
Масса озона: $m(O_3) = n(O_3) \cdot M(O_3) = \frac{x}{22.4} \cdot 48 \text{ г}$
Масса кислорода: $m(O_2) = n(O_2) \cdot M(O_2) = \frac{10 - x}{22.4} \cdot 32 \text{ г}$

Общая масса смеси равна сумме масс её компонентов: $m_{смеси} = m(O_2) + m(O_3)$.
Подставим известные значения и выражения в это уравнение:
$15 = \frac{(10 - x) \cdot 32}{22.4} + \frac{x \cdot 48}{22.4}$

Решим полученное уравнение относительно $x$ :
Умножим обе части уравнения на 22,4, чтобы избавиться от знаменателя:
$15 \cdot 22.4 = (10 - x) \cdot 32 + 48x$
$336 = 320 - 32x + 48x$
Приведём подобные слагаемые:
$336 - 320 = 48x - 32x$
$16 = 16x$
$x = 1$

Таким образом, мы нашли объём озона в смеси: $V(O_3) = x = 1$ л.
Теперь найдём объём кислорода в смеси: $V(O_2) = 10 - x = 10 - 1 = 9$ л.

Определим объёмный состав смеси, то есть объёмные доли ($\phi$) компонентов. Объёмная доля вычисляется как отношение объёма компонента к общему объёму смеси, часто выражается в процентах.
Объёмная доля озона: $\phi(O_3) = \frac{V(O_3)}{V_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{1 \text{ л}}{10 \text{ л}} \cdot 100\% = 10\%$.
Объёмная доля кислорода: $\phi(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{9 \text{ л}}{10 \text{ л}} \cdot 100\% = 90\%$.

Ответ: объёмный состав смеси: 90% кислорода ($O_2$) и 10% озона ($O_3$).

7.74. Смесь этана, этилена и ацетилена массой 8,4 г при сгорании на воздухе образует 13,44 л (н. у.) углекислого газа. Найдите массу образовавшейся при этом воды.

Дано:

$m(смеси) = 8,4$ г

$V(CO_2) = 13,44$ л (н. у.)

Смесь: этан (C₂H₆), этилен (C₂H₄), ацетилен (C₂H₂)

Найти:

$m(H_2O) - ?$

Решение:

Все вещества в исходной смеси являются углеводородами, то есть состоят только из атомов углерода (C) и водорода (H). При полном сгорании любого углеводорода весь углерод переходит в углекислый газ ($CO_2$), а весь водород — в воду ($H_2O$).

1. Найдем количество вещества (моль) образовавшегося углекислого газа. Объем одного моля любого газа при нормальных условиях (н. у.) составляет 22,4 л/моль ($V_m$).

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{13,44 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

2. Определим количество вещества и массу углерода, содержащегося в исходной смеси. Поскольку в одной молекуле $CO_2$ содержится один атом углерода, количество вещества углерода равно количеству вещества углекислого газа.

$n(C) = n(CO_2) = 0,6 \text{ моль}$

Молярная масса углерода $M(C) = 12$ г/моль. Найдем массу углерода в смеси:

$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,6 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 7,2 \text{ г}$

3. Найдем массу водорода в исходной смеси. Масса смеси складывается из массы углерода и массы водорода.

$m(H) = m(смеси) - m(C) = 8,4 \text{ г} - 7,2 \text{ г} = 1,2 \text{ г}$

4. Найдем количество вещества атомов водорода в смеси. Молярная масса атомарного водорода $M(H) = 1$ г/моль.

$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{1,2 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 1,2 \text{ моль}$

5. Определим количество вещества и массу образовавшейся воды. Весь водород из смеси перешел в воду. В одной молекуле воды ($H_2O$) содержится два атома водорода, поэтому количество вещества воды будет в два раза меньше количества вещества атомов водорода.

$n(H_2O) = \frac{n(H)}{2} = \frac{1,2 \text{ моль}}{2} = 0,6 \text{ моль}$

Молярная масса воды $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ г/моль. Найдем массу образовавшейся воды:

$m(H_2O) = n(H_2O) \cdot M(H_2O) = 0,6 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 10,8 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся воды равна 10,8 г.

7.75. Сколько граммов бертолетовой соли необходимо разложить для получения 1 л кислорода (н. у.)?

Дано:

Бертолетова соль (хлорат калия) — $KClO_3$
Объем кислорода $V(O_2) = 1$ л
Условия: нормальные (н. у.)
Молярный объем газа при н. у. $V_m = 22.4$ л/моль

Перевод в СИ:
$V(O_2) = 1 \text{ л} = 1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

Массу бертолетовой соли $m(KClO_3)$

Решение:

1. Для решения задачи сначала необходимо составить уравнение химической реакции разложения бертолетовой соли (хлората калия) с образованием хлорида калия и кислорода. Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (например, оксида марганца(IV)).

$2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2 \uparrow$

2. Зная объем кислорода, полученного при нормальных условиях, мы можем найти его количество вещества (число молей) по формуле, связывающей объем газа с молярным объемом ($V_m = 22.4$ л/моль при н. у.).

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{1 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.04464 \text{ моль}$

3. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем количество вещества бертолетовой соли, которое было разложено. Из уравнения реакции видно, что для получения 3 моль кислорода требуется 2 моль хлората калия. Составим пропорцию:

$\frac{n(KClO_3)}{n(O_2)} = \frac{2}{3}$

Отсюда выразим количество вещества $KClO_3$:

$n(KClO_3) = \frac{2}{3} \cdot n(O_2) = \frac{2}{3} \cdot 0.04464 \text{ моль} \approx 0.02976 \text{ моль}$

4. Рассчитаем молярную массу бертолетовой соли $KClO_3$. Для этого сложим относительные атомные массы калия ($Ar(K) \approx 39$ а.е.м.), хлора ($Ar(Cl) \approx 35.5$ а.е.м.) и трех атомов кислорода ($Ar(O) \approx 16$ а.е.м.).

$M(KClO_3) = 39 + 35.5 + 3 \cdot 16 = 122.5 \text{ г/моль}$

5. Наконец, зная количество вещества и молярную массу хлората калия, мы можем рассчитать его массу по формуле $m = n \cdot M$.

$m(KClO_3) = n(KClO_3) \cdot M(KClO_3) = 0.02976 \text{ моль} \cdot 122.5 \text{ г/моль} \approx 3.65 \text{ г}$

Ответ: для получения 1 л кислорода необходимо разложить 3.65 г бертолетовой соли.

7.76. Озонированный кислород пропускали через 100 г 3,4%-го раствора се-роводорода. Получили бесцветный раствор, дающий белый осадок с раствором хлорида бария, нерастворимый в кислотах. Какое вещество присутствует в этом растворе? Найдите массовую долю растворённого вещества.

Какое вещество присутствует в этом растворе?

Озонированный кислород является сильным окислителем. При его пропускании через раствор сероводорода ($H_2S$) происходит окислительно-восстановительная реакция, в которой сера в степени окисления -2 окисляется.

Согласно условию, полученный раствор при добавлении раствора хлорида бария ($BaCl_2$) образует белый осадок, нерастворимый в кислотах. Это является качественной реакцией на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). Белый осадок — это сульфат бария ($BaSO_4$), образующийся по реакции:

$SO_4^{2-} + Ba^{2+} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Наличие сульфат-ионов в растворе свидетельствует о том, что сероводород окислился до серной кислоты ($H_2SO_4$).

Ответ: В растворе присутствует серная кислота ($H_2SO_4$).

Найдите массовую долю растворенного вещества.

Дано:

$m_{р-ра(H_2S)} = 100 \text{ г}$

$\omega(H_2S) = 3,4\% = 0,034$

Найти:

$\omega_{конечн.}(H_2SO_4)$ - ?

Решение:

1. Составим уравнение реакции окисления сероводорода озоном до серной кислоты:

$H_2S + 4O_3 \rightarrow H_2SO_4 + 4O_2$

2. Рассчитаем массу и количество вещества сероводорода в исходном растворе.

Масса $H_2S$:

$m(H_2S) = m_{р-ра(H_2S)} \cdot \omega(H_2S) = 100 \text{ г} \cdot 0,034 = 3,4 \text{ г}$

Молярная масса $H_2S$:

$M(H_2S) = 2 \cdot 1,008 + 32,06 \approx 34 \text{ г/моль}$

Количество вещества $H_2S$:

$\nu(H_2S) = \frac{m(H_2S)}{M(H_2S)} = \frac{3,4 \text{ г}}{34 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества образовавшейся серной кислоты ($H_2SO_4$).

Из стехиометрических коэффициентов следует, что $\nu(H_2SO_4) = \nu(H_2S)$.

$\nu(H_2SO_4) = 0,1 \text{ моль}$

4. Вычислим массу полученной серной кислоты.

Молярная масса $H_2SO_4$:

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1,008 + 32,06 + 4 \cdot 16 \approx 98 \text{ г/моль}$

$m(H_2SO_4) = \nu(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 0,1 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 9,8 \text{ г}$

5. Найдем массу конечного раствора. Масса раствора складывается из массы исходного раствора, массы поглощенного озона и массы выделившегося кислорода.

Из уравнения реакции: $\nu(O_3)_{\text{прореаг.}} = 4 \cdot \nu(H_2S) = 4 \cdot 0,1 = 0,4 \text{ моль}$

$\nu(O_2)_{\text{выдел.}} = 4 \cdot \nu(H_2S) = 4 \cdot 0,1 = 0,4 \text{ моль}$

Масса прореагировавшего озона ($M(O_3) = 48 \text{ г/моль}$):

$m(O_3) = \nu(O_3) \cdot M(O_3) = 0,4 \text{ моль} \cdot 48 \text{ г/моль} = 19,2 \text{ г}$

Масса выделившегося кислорода ($M(O_2) = 32 \text{ г/моль}$):

$m(O_2) = \nu(O_2) \cdot M(O_2) = 0,4 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 12,8 \text{ г}$

Масса конечного раствора:

$m_{конечн. р-ра} = m_{исх. р-ра} + m(O_3) - m(O_2) = 100 \text{ г} + 19,2 \text{ г} - 12,8 \text{ г} = 106,4 \text{ г}$

6. Рассчитаем массовую долю серной кислоты в полученном растворе.

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m_{конечн. р-ра}} \cdot 100\% = \frac{9,8 \text{ г}}{106,4 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 9,21\%$

Ответ: 9,21%.

7.77. Какую роль играет озон в верхних слоях атмосферы?

Озон ($O_3$) в верхних слоях атмосферы, преимущественно в стратосфере на высотах от 15 до 30 км, образует так называемый озоновый слой. Этот слой играет две критически важные роли для планеты Земля.

1. Защита от ультрафиолетового излучения. Это основная и наиболее известная функция озона. Озоновый слой поглощает около 97–99% вредного коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, которое губительно для живых организмов. В частности, озон эффективно задерживает:

• Почти 100% наиболее опасного излучения УФ-C (длина волны 100–280 нм).
• Около 95% излучения УФ-B (280–315 нм).

Без этой защиты жесткое УФ-излучение достигало бы поверхности Земли, вызывая у людей и животных рак кожи, катаракту, подавление иммунитета, а также нанося вред растениям (особенно фитопланктону в океане, который является основой многих пищевых цепей) и разрушая ДНК. Таким образом, озоновый слой является естественным щитом, делающим возможной жизнь на суше и в верхних слоях воды.

2. Формирование температурной структуры атмосферы. Процесс поглощения УФ-излучения молекулами озона ($O_3$) является экзотермическим, то есть сопровождается выделением тепла. Реакция выглядит так: молекула озона поглощает фотон УФ-света, распадается на молекулу кислорода ($O_2$) и атомарный кислород ($O$), а их последующие реакции выделяют энергию в виде тепла. Этот нагрев приводит к тому, что температура в стратосфере с высотой не падает, как в нижележащей тропосфере, а, наоборот, растет. Такое явление называется температурной инверсией. Эта инверсия делает стратосферу очень стабильной (препятствует вертикальному перемешиванию воздуха) и играет ключевую роль в формировании глобальной циркуляции атмосферы и климата Земли.

Ответ: Озон в верхних слоях атмосферы играет роль защитного экрана, поглощая большую часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца и тем самым защищая жизнь на Земле. Кроме того, процесс поглощения УФ-излучения нагревает стратосферу, создавая температурную инверсию и влияя на климат и циркуляцию атмосферы.