Страница 203 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.89. К охлаждённому раствору серной кислоты добавили пероксид бария, при этом вещества прореагировали полностью. В полученном растворе отношение атомов водорода к кислороду составило 9 к 5. После добавления оксида марганца(IV) масса раствора уменьшилась на 3,2 г. Вычислите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.

Дано:

Найти:

Решение:

Сначала запишем уравнение реакции между серной кислотой и пероксидом бария. По условию, вещества прореагировали полностью, что означает их стехиометрическое соотношение. В результате реакции образуется нерастворимый сульфат бария, который выпадает в осадок.

$H_2SO_4 + BaO_2 \rightarrow H_2O_2 + BaSO_4 \downarrow$

Полученный раствор содержит пероксид водорода ($H_2O_2$), образовавшийся в реакции, и воду ($H_2O$), которая была растворителем в исходном растворе.

Пусть в исходном растворе содержалось $x$ моль $H_2SO_4$ и $y$ моль $H_2O$. Согласно уравнению реакции, в растворе после реакции будет находиться $x$ моль $H_2O_2$ и $y$ моль $H_2O$.

Теперь используем данное в условии соотношение атомов. Количество вещества атомов водорода в растворе: $n_{ат}(H) = 2 \cdot n(H_2O_2) + 2 \cdot n(H_2O) = 2x + 2y$ моль. Количество вещества атомов кислорода: $n_{ат}(O) = 2 \cdot n(H_2O_2) + 1 \cdot n(H_2O) = 2x + y$ моль. Соотношение их количеств равно 9 к 5:

$\frac{n_{ат}(H)}{n_{ат}(O)} = \frac{2x + 2y}{2x + y} = \frac{9}{5}$

Решим полученное уравнение, чтобы найти связь между $x$ и $y$:

$5(2x + 2y) = 9(2x + y)$

$10x + 10y = 18x + 9y$

$y = 8x$

Это означает, что молярное соотношение воды и серной кислоты в исходном растворе было 8:1.

Далее, при добавлении оксида марганца(IV), $MnO_2$, который выступает катализатором, весь пероксид водорода разлагается с выделением кислорода:

$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow$

Уменьшение массы раствора на 3,2 г соответствует массе выделившегося кислорода. Найдем количество вещества кислорода ($M(O_2) = 32$ г/моль):

$n(O_2) = \frac{m(O_2)}{M(O_2)} = \frac{3,2 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

По уравнению реакции разложения, количество вещества $H_2O_2$ в два раза больше количества вещества $O_2$:

$n(H_2O_2) = 2 \cdot n(O_2) = 2 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$

Это количество $H_2O_2$ ($x$) образовалось из такого же количества $H_2SO_4$. Следовательно, $x = n(H_2SO_4) = 0,2$ моль.

Теперь найдем количество вещества воды в исходном растворе:

$y = n(H_2O) = 8x = 8 \cdot 0,2 = 1,6 \text{ моль}$

Для расчета массовой доли серной кислоты найдем массы компонентов исходного раствора ($M(H_2SO_4) = 98$ г/моль, $M(H_2O) = 18$ г/моль):

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 0,2 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 19,6 \text{ г}$

$m(H_2O) = n(H_2O) \cdot M(H_2O) = 1,6 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 28,8 \text{ г}$

Масса всего исходного раствора:

$m_{раствора} = m(H_2SO_4) + m(H_2O) = 19,6 \text{ г} + 28,8 \text{ г} = 48,4 \text{ г}$

Массовая доля серной кислоты в исходном растворе:

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m_{раствора}} = \frac{19,6 \text{ г}}{48,4 \text{ г}} \approx 0,405$

Выразим ответ в процентах: $0,405 \cdot 100\% = 40,5\%$

Ответ: Массовая доля серной кислоты в исходном растворе составляет 40,5%.

7.90. При растворении пероксида лития ${\mathrm{Li}}_2{\mathrm{O}}_2$ в тёплой воде выделяется кислород. Определите массовую долю гидроксида лития в растворе, полученном растворением 4,6 г пероксида лития в 124 г воды.

Дано:

$m(Li_2O_2) = 4,6 \text{ г}$

$m(H_2O) = 124 \text{ г}$

Найти:

$\omega(LiOH) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции растворения пероксида лития в теплой воде. При взаимодействии пероксидов щелочных металлов с водой в таких условиях образуется гидроксид и выделяется кислород:

$2Li_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 4LiOH + O_2 \uparrow$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчетах:

$M(Li_2O_2) = 2 \cdot Ar(Li) + 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 7 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$

$M(LiOH) = Ar(Li) + Ar(O) + Ar(H) = 7 + 16 + 1 = 24 \text{ г/моль}$

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

3. Найдем количество вещества пероксида лития:

$n(Li_2O_2) = \frac{m(Li_2O_2)}{M(Li_2O_2)} = \frac{4,6 \text{ г}}{46 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определим количество вещества образовавшегося гидроксида лития и выделившегося кислорода. Из уравнения видно, что:

$n(LiOH) = 2 \cdot n(Li_2O_2) = 2 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$

$n(O_2) = \frac{1}{2} \cdot n(Li_2O_2) = \frac{1}{2} \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,05 \text{ моль}$

5. Вычислим массу гидроксида лития и кислорода:

$m(LiOH) = n(LiOH) \cdot M(LiOH) = 0,2 \text{ моль} \cdot 24 \text{ г/моль} = 4,8 \text{ г}$

$m(O_2) = n(O_2) \cdot M(O_2) = 0,05 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 1,6 \text{ г}$

6. Найдем массу конечного раствора. Она складывается из массы исходных веществ (пероксида лития и воды) за вычетом массы улетевшего газа (кислорода):

$m_{раствора} = m(Li_2O_2) + m(H_2O) - m(O_2) = 4,6 \text{ г} + 124 \text{ г} - 1,6 \text{ г} = 127 \text{ г}$

7. Определим массовую долю гидроксида лития в полученном растворе:

$\omega(LiOH) = \frac{m(LiOH)}{m_{раствора}} = \frac{4,8 \text{ г}}{127 \text{ г}} \approx 0,0378$

Переведем в проценты:

$0,0378 \cdot 100\% = 3,78\%$

Ответ: массовая доля гидроксида лития в растворе составляет 3,78%.

7.91. Смешали 10 л смеси азота с кислородом и 15 л водорода. Смесь взорвали. После окончания реакции в смеси осталось 4 л газа. Определите объёмные доли газов в исходной смеси.

Дано:

$V_{исх}(смеси \text{ } N_2 + O_2) = 10 \text{ л}$
$V_{исх}(H_2) = 15 \text{ л}$
$V_{кон}(газов) = 4 \text{ л}$

В системе СИ:
$V_{исх}(смеси \text{ } N_2 + O_2) = 10 \times 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.01 \text{ м}^3$
$V_{исх}(H_2) = 15 \times 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.015 \text{ м}^3$
$V_{кон}(газов) = 4 \times 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.004 \text{ м}^3$

Найти:

$\phi(N_2)_{исх.} - ?$, $\phi(O_2)_{исх.} - ?$

Решение:

При взрыве смеси водород реагирует с кислородом с образованием воды. Азот в данных условиях является инертным газом и в реакции не участвует. Уравнение химической реакции горения водорода:

$2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(ж)$

Предполагается, что после реакции и охлаждения до начальных условий, вода конденсируется в жидкость, и ее объемом как газа можно пренебречь. Следовательно, оставшийся газ объемом 4 л состоит из непрореагировавшего азота и избытка одного из реагентов (водорода или кислорода).

Согласно закону объемных отношений, объемы реагирующих газов соотносятся между собой как их стехиометрические коэффициенты. Из уравнения реакции следует:

$\frac{V(H_2)}{V(O_2)} = \frac{2}{1}$

Пусть в исходной смеси азота с кислородом объемом 10 л содержалось $x$ л кислорода. Тогда объем азота составлял $(10 - x)$ л.

$V_{исх}(O_2) = x \text{ л}$

$V_{исх}(N_2) = (10 - x) \text{ л}$

Для определения, какой из газов (водород или кислород) является лимитирующим реагентом, рассмотрим два возможных сценария.

Сценарий 1: Кислород находится в недостатке.

В этом случае весь кислород объемом $x$ л прореагирует. Объем водорода, который вступит в реакцию с этим количеством кислорода, составит:

$V_{реаг}(H_2) = 2 \cdot V_{исх}(O_2) = 2x \text{ л}$

Объем водорода, оставшегося после реакции:

$V_{ост}(H_2) = V_{исх}(H_2) - V_{реаг}(H_2) = (15 - 2x) \text{ л}$

Азот не реагирует, поэтому его объем в конечной смеси равен исходному:

$V_{ост}(N_2) = V_{исх}(N_2) = (10 - x) \text{ л}$

Суммарный объем оставшихся газов по условию равен 4 л:

$V_{кон}(газов) = V_{ост}(H_2) + V_{ост}(N_2)$

$4 = (15 - 2x) + (10 - x)$

$4 = 25 - 3x$

$3x = 21$

$x = 7 \text{ л}$

Проверим наше предположение. Для полной реакции 15 л водорода требуется $15 / 2 = 7.5$ л кислорода. Поскольку мы нашли, что $x = 7$ л, что меньше 7.5 л, кислород действительно был в недостатке. Следовательно, этот сценарий верен.

Сценарий 2: Водород находится в недостатке.

В этом случае весь водород объемом 15 л прореагирует. Объем кислорода, необходимый для этого:

$V_{реаг}(O_2) = \frac{1}{2} \cdot V_{исх}(H_2) = \frac{15}{2} = 7.5 \text{ л}$

Объем оставшегося кислорода: $V_{ост}(O_2) = V_{исх}(O_2) - V_{реаг}(O_2) = (x - 7.5) \text{ л}$

Объем азота: $V_{ост}(N_2) = (10 - x) \text{ л}$

Суммарный объем газов: $4 = (x - 7.5) + (10 - x) \Rightarrow 4 = 2.5$. Это неверное равенство, значит, данный сценарий невозможен.

Таким образом, в исходной смеси объемы газов были следующими:

$V(O_2) = x = 7 \text{ л}$

$V(N_2) = 10 - x = 10 - 7 = 3 \text{ л}$

Теперь определим объемные доли ($\phi$) газов в исходной смеси (смеси $N_2$ и $O_2$).

Объемная доля кислорода:

$\phi(O_2) = \frac{V(O_2)}{V(смеси)} = \frac{7 \text{ л}}{10 \text{ л}} = 0.7$

Объемная доля азота:

$\phi(N_2) = \frac{V(N_2)}{V(смеси)} = \frac{3 \text{ л}}{10 \text{ л}} = 0.3$

В процентах это составляет 70% кислорода и 30% азота.

Ответ: объемная доля азота в исходной смеси составляет 30%, объемная доля кислорода - 70%.

7.92. Почему порошок серы плавает на поверхности воды, а кусковая сера в воде тонет?

Решение

Данное явление объясняется различием в физических свойствах и взаимодействии с водой цельного куска серы и её порошка. Основную роль играют плотность, сила Архимеда, поверхностное натяжение и смачиваемость.

Почему кусковая сера в воде тонет

Поведение тела, полностью погруженного в жидкость, определяется соотношением его плотности ($ \rho_т $) и плотности жидкости ($ \rho_ж $). Плотность монолитной серы составляет $ \rho_{серы} \approx 2070 \text{ кг/м}^3 $, что значительно превышает плотность воды $ \rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $.

На кусок серы в воде действуют две вертикальные силы: направленная вниз сила тяжести $ F_g = m g = \rho_{серы} V g $ и направленная вверх выталкивающая сила Архимеда $ F_A = \rho_{воды} g V $, где $V$ — объем куска серы.

Так как $ \rho_{серы} > \rho_{воды} $, то сила тяжести больше выталкивающей силы ($ F_g > F_A $). В результате равнодействующая сила направлена вниз, и кусок серы опускается на дно.

Почему порошок серы плавает на поверхности воды

Для порошка, состоящего из множества мелких частиц, условия плавания усложняются из-за влияния двух дополнительных факторов:

1. Несмачиваемость (гидрофобность) и поверхностное натяжение. Сера — гидрофобное вещество, она очень плохо смачивается водой. Молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к частицам серы. Когда мелкая и легкая частица порошка попадает на воду, она не может преодолеть силы поверхностного натяжения, которые удерживают молекулы воды вместе, образуя подобие упругой плёнки. Эта плёнка прогибается под весом частицы, и сила поверхностного натяжения, действующая по периметру контакта частицы с водой, создаёт вертикальную составляющую, которая помогает удерживать частицу на плаву.

2. Захваченный воздух. Когда порошок насыпают на воду, между его мелкими, несмачиваемыми частицами задерживается большое количество воздуха. Образуется система "частицы серы + воздух". Средняя плотность этой системы ($ \rho_{ср} $) оказывается значительно меньше плотности воды. Выталкивающая сила Архимеда действует на весь объем, занимаемый порошком вместе с воздухом, и её величины достаточно, чтобы удержать всю массу порошка на поверхности.

Ответ: Кусковая сера тонет, так как ее плотность ($ \approx 2070 \text{ кг/м}^3 $) больше плотности воды ($ \approx 1000 \text{ кг/м}^3 $). Порошок серы плавает на поверхности воды, поскольку его мелкие частицы не смачиваются водой и удерживаются силой поверхностного натяжения, а также потому, что между частицами порошка задерживается воздух, из-за чего средняя плотность образовавшейся системы "сера-воздух" становится меньше плотности воды.

7.93. Почему молекулы ромбической серы не являются плоскими?

Молекулы ромбической серы, имеющие формулу $S_8$, не являются плоскими из-за особенностей электронного строения атомов серы и геометрии химических связей, которые они образуют. Этот факт объясняется с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

1. Электронное строение атома серы. Сера находится в 16-й группе периодической системы, на ее внешнем электронном уровне находится 6 валентных электронов ($3s^23p^4$).

2. Образование связей в молекуле $S_8$. В молекуле ромбической серы каждый атом серы образует две простые ковалентные связи с двумя соседними атомами серы, образуя замкнутый восьмичленный цикл. Для образования этих двух связей каждый атом серы использует по два валентных электрона.

3. Геометрия вокруг атома серы. У каждого атома серы в цикле, помимо двух связывающих электронных пар (образующих связи S-S), остаются еще четыре валентных электрона, которые образуют две неподеленные электронные пары. Таким образом, вокруг каждого атома серы находятся четыре электронные пары (две связывающие и две неподеленные). Согласно теории VSEPR, эти четыре электронные пары располагаются в пространстве так, чтобы минимизировать взаимное отталкивание, то есть они стремятся занять вершины тетраэдра.

4. Валентный угол. Тетраэдрическое расположение электронных пар предполагает, что валентный угол (в данном случае угол S-S-S) должен быть близок к $109.5^\circ$. Неподеленные пары отталкиваются сильнее, чем связывающие, поэтому они сжимают угол между связями. В реальности валентный угол в молекуле $S_8$ составляет около $107.8^\circ$.

5. Сравнение с плоской структурой. Если бы молекула $S_8$ была плоским восьмиугольником, то внутренние углы в ней должны были бы составлять $(8-2) \times 180^\circ / 8 = 135^\circ$. Такой угол значительно отличается от энергетически выгодного угла $107.8^\circ$, что привело бы к огромному угловому напряжению в молекуле и ее нестабильности.

Чтобы снять это напряжение и достичь наиболее стабильной конфигурации с валентными углами, близкими к тетраэдрическим, цикл из восьми атомов серы изгибается и принимает неплоскую, коронообразную (креслообразную) конформацию.

Ответ: Молекулы ромбической серы ($S_8$) не являются плоскими, потому что каждый атом серы в молекуле связан с двумя другими атомами и имеет две неподеленные электронные пары. Это приводит к тому, что для каждого атома энергетически выгодной является геометрия с валентным углом S-S-S около $107.8^\circ$. В плоской кольцевой молекуле этот угол составлял бы $135^\circ$, что создавало бы большое угловое напряжение. Для достижения стабильного валентного угла молекула принимает неплоскую, коронообразную структуру.

7.94. Как можно определить теплоту перехода ромбической серы в моноклинную, зная теплоты образования ромбической и моноклинной серы?

Дано:

Теплота образования ромбической серы: $ \Delta H_{f}(S_{(\text{ромбическая})}) $
Теплота образования моноклинной серы: $ \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) $

Найти:

Теплоту перехода ромбической серы в моноклинную: $ \Delta H_{перехода} $

Решение:

Для определения теплоты перехода одной аллотропной модификации в другую, в данном случае ромбической серы в моноклинную, используется следствие из закона Гесса. Согласно этому следствию, тепловой эффект химической реакции ($ \Delta H $) равен разности сумм стандартных энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ, с учётом их стехиометрических коэффициентов.

Запишем уравнение аллотропного перехода:

$ S_{(\text{ромбическая})} \rightarrow S_{(\text{моноклинная})} $

Тепловой эффект этого процесса ($ \Delta H_{перехода} $) можно рассчитать по общей формуле следствия из закона Гесса:

$ \Delta H_{реакции} = \sum (\nu \cdot \Delta H_{f(\text{продукты})}) - \sum (\nu \cdot \Delta H_{f(\text{исходные вещества})}) $

Применительно к нашей реакции, где продуктом является 1 моль моноклинной серы, а исходным веществом — 1 моль ромбической серы, формула принимает вид:

$ \Delta H_{перехода} = 1 \cdot \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) - 1 \cdot \Delta H_{f}(S_{(\text{ромбическая})}) $

По определению, стандартная энтальпия образования ($ \Delta H_{f}^{\circ} $) простого вещества в его наиболее устойчивом состоянии при стандартных условиях (температура 298 К, давление 1 атм) принимается равной нулю. Для серы наиболее устойчивой аллотропной модификацией является ромбическая сера.

Таким образом, $ \Delta H_{f}(S_{(\text{ромбическая})}) = 0 $.

Подставим это значение в наше уравнение:

$ \Delta H_{перехода} = \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) - 0 = \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) $

Это означает, что теплота перехода ромбической серы в моноклинную численно равна теплоте образования моноклинной серы.

Ответ: Теплоту перехода ромбической серы в моноклинную можно определить по следствию из закона Гесса: она равна разности теплот образования моноклинной и ромбической серы. Учитывая, что стандартная теплота образования ромбической серы (как наиболее устойчивой модификации простого вещества) принимается равной нулю, искомая теплота перехода будет численно равна теплоте образования моноклинной серы. Формула для расчёта: $ \Delta H_{перехода} = \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) - \Delta H_{f}(S_{(\text{ромбическая})}) = \Delta H_{f}(S_{(\text{моноклинная})}) $.

7.95. При сгорании на воздухе соединения железа с серой образовалось 8 г оксида железа(III) и 2,24 л (н. у.) сернистого газа. Определите формулу вещества.

Дано:
$m(Fe_2O_3) = 8$ г
$V(SO_2) = 2.24$ л (н. у.)

Перевод в СИ:
$m(Fe_2O_3) = 0.008$ кг
$V(SO_2) = 0.00224$ м³

Найти:
Формулу соединения $Fe_xS_y$

Решение:

При сгорании соединения железа с серой ($Fe_xS_y$) в кислороде воздуха образуются оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) и сернистый газ ($SO_2$). Схема реакции выглядит следующим образом:

$Fe_xS_y + O_2 \rightarrow Fe_2O_3 + SO_2$

Чтобы определить формулу исходного вещества, необходимо найти соотношение количеств вещества (числа молей) атомов железа и серы в нем. Это соотношение $x:y$ будет равно соотношению $n(Fe) : n(S)$. Согласно закону сохранения массы, все атомы железа из исходного вещества перешли в оксид железа(III), а все атомы серы — в сернистый газ.

1. Найдем количество вещества оксида железа(III), образовавшегося в реакции. Для этого сначала вычислим его молярную массу $M(Fe_2O_3)$.
Атомные массы: $Ar(Fe) \approx 56$ а.е.м., $Ar(O) \approx 16$ а.е.м.
$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot M(Fe) + 3 \cdot M(O) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160$ г/моль.
Теперь найдем количество вещества $Fe_2O_3$:
$n(Fe_2O_3) = \frac{m(Fe_2O_3)}{M(Fe_2O_3)} = \frac{8 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0.05$ моль.

2. Определим количество вещества атомов железа. В одной формульной единице $Fe_2O_3$ содержится 2 атома железа. Следовательно, количество вещества атомов железа в 2 раза больше количества вещества оксида железа(III):
$n(Fe) = 2 \cdot n(Fe_2O_3) = 2 \cdot 0.05 \text{ моль} = 0.1$ моль.

3. Найдем количество вещества сернистого газа ($SO_2$), образовавшегося в реакции. Объем дан при нормальных условиях (н. у.), поэтому используем молярный объем газов $V_m = 22.4$ л/моль.
$n(SO_2) = \frac{V(SO_2)}{V_m} = \frac{2.24 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.1$ моль.

4. Определим количество вещества атомов серы. В одной молекуле $SO_2$ содержится 1 атом серы. Следовательно, количество вещества атомов серы равно количеству вещества сернистого газа:
$n(S) = n(SO_2) = 0.1$ моль.

5. Найдем соотношение индексов $x$ и $y$ в формуле $Fe_xS_y$. Это соотношение равно соотношению количеств вещества атомов железа и серы:
$x : y = n(Fe) : n(S) = 0.1 : 0.1$
Разделив оба числа на наименьшее (0.1), получаем простейшее целочисленное соотношение:
$x : y = 1 : 1$

Таким образом, простейшая формула соединения - $FeS$. Это сульфид железа(II).

Ответ: Формула вещества - $FeS$.

7.96. Как объяснить тот факт, что алюминий реагирует с серой только при нагревании, атакой малоактивный металл, как ртуть, – при комнатной температуре?

Решение

Разница в условиях реакции алюминия и ртути с серой объясняется, в первую очередь, состоянием поверхности этих металлов.

Алюминий ($Al$) — химически активный металл. Однако на воздухе его поверхность мгновенно покрывается очень тонкой, но плотной и прочной оксидной пленкой ($Al_2O_3$). Эта пленка является химически инертной и защищает (пассивирует) металл от дальнейшего взаимодействия с большинством реагентов, включая серу, при обычных условиях. Чтобы реакция началась, необходимо разрушить этот защитный слой. Нагревание сообщает системе необходимую энергию активации для преодоления этого барьера. При высокой температуре структура пленки нарушается, и атомы алюминия получают возможность контактировать и реагировать с серой с образованием сульфида алюминия:
$2Al + 3S \xrightarrow{t^\circ} Al_2S_3$

Ртуть ($Hg$), напротив, является малоактивным металлом. В отличие от алюминия, на поверхности ртути при комнатной температуре отсутствует прочная защитная оксидная пленка. Кроме того, ртуть — единственный металл, находящийся в жидком агрегатном состоянии при комнатной температуре. Это обеспечивает очень большую площадь соприкосновения и тесный контакт между жидкой ртутью и порошком серы при их смешивании. Из-за отсутствия пассивирующего слоя реакция может протекать самопроизвольно, без дополнительного нагрева, несмотря на низкую химическую активность самой ртути. Этот процесс используется для обезвреживания пролитой ртути (демеркуризации), так как образующийся сульфид ртути(II) — это твердое, нелетучее и гораздо менее токсичное вещество:
$Hg + S \rightarrow HgS$

Таким образом, кажущееся противоречие — более активный металл реагирует в более жестких условиях — объясняется наличием пассивирующей пленки на поверхности алюминия, для преодоления которой требуется энергия.

Ответ: Алюминий реагирует с серой только при нагревании, так как его поверхность покрыта прочной защитной оксидной пленкой ($Al_2O_3$), для разрушения которой требуется энергия. Ртуть, хотя и является малоактивным металлом, не имеет такой пленки на своей поверхности и, будучи жидкостью, обеспечивает хороший контакт с серой, что позволяет реакции протекать при комнатной температуре.

7.97. Изобразите электронные и структурные формулы оксида серы(IV) и оксида серы(VI). Почему валентный угол в молекуле сернистого газа не равен 180°?

Изобразите электронные и структурные формулы оксида серы(IV) и оксида серы(VI)

Оксид серы(IV) или сернистый газ ($SO_2$)

Атом серы (S) имеет 6 валентных электронов, атом кислорода (O) также имеет 6 валентных электронов. Общее число валентных электронов в молекуле $SO_2$ составляет $6 + 2 \cdot 6 = 18$ электронов.

Электронная формула (формула Льюиса):
Центральным атомом является сера. Атом серы связан с двумя атомами кислорода. Чтобы удовлетворить правило октета для всех атомов, сера образует одну двойную и одну одинарную связь. При этом на атоме серы остается одна неподеленная электронная пара. Такая структура имеет две резонансные формы, так как двойная связь может быть с любым из двух атомов кислорода. В действительности обе связи S-O являются одинаковыми, их длина и энергия промежуточны между одинарной и двойной связью.

Структурная формула:
Молекула имеет угловую (или изогнутую) форму из-за отталкивающего действия неподеленной электронной пары на атоме серы. Условно структуру можно изобразить так:
O=S—O (с указанием, что на атоме серы есть неподеленная электронная пара).

Оксид серы(VI) или серный ангидрид ($SO_3$)

Общее число валентных электронов в молекуле $SO_3$ составляет $6 + 3 \cdot 6 = 24$ электрона.

Электронная формула (формула Льюиса):
Центральным атомом является сера. Атом серы находится в 3-м периоде и способен к "расширению октета", то есть может иметь на валентной оболочке более 8 электронов. Наиболее устойчивой считается структура, где атом серы образует три двойные связи с тремя атомами кислорода. В этом случае формальные заряды на всех атомах равны нулю. На атоме серы нет неподеленных электронных пар.

Структурная формула:
Молекула имеет форму плоского правильного треугольника, в центре которого находится атом серы, а в вершинах — атомы кислорода. Все три связи S=O равноценны, а валентные углы O-S-O равны $120^\circ$.

Ответ: Электронные формулы отражают распределение валентных электронов: для $SO_2$ характерно наличие одной неподеленной электронной пары у центрального атома серы и резонансных структур, что приводит к угловой форме молекулы. Для $SO_3$ характерно образование трех двойных связей атомом серы с тремя атомами кислорода, неподеленные электронные пары у атома серы отсутствуют, что приводит к плоской треугольной форме молекулы.

Почему валентный угол в молекуле сернистого газа не равен 180°?

Валентный угол в молекуле определяется геометрией, которая, в свою очередь, зависит от количества электронных пар (связывающих и неподеленных) вокруг центрального атома. Это объясняется теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

1. В молекуле сернистого газа ($SO_2$) центральным атомом является атом серы (S).
2. Атом серы в $SO_2$ окружен тремя областями электронной плотности: двумя связывающими электронными парами (в двух связях S-O) и одной неподеленной (несвязывающей) электронной парой.
3. Эти три области электронной плотности стремятся расположиться в пространстве так, чтобы отталкивание между ними было минимальным. Такая конфигурация соответствует расположению по углам треугольника, то есть с идеальными углами около $120^\circ$.
4. Неподеленная электронная пара создает более сильное отталкивание, чем связывающие пары. Она занимает больше пространства и "сжимает" угол между связями S-O. В результате валентный угол O-S-O в молекуле $SO_2$ становится немного меньше $120^\circ$ (экспериментальное значение около $119,5^\circ$).

Линейная геометрия с валентным углом $180^\circ$ возникает тогда, когда вокруг центрального атома находятся только две электронные области (например, как в молекуле диоксида углерода $CO_2$, где атом углерода образует две двойные связи и не имеет неподеленных пар). Поскольку у серы в $SO_2$ есть третья область — неподеленная электронная пара — молекула не может быть линейной.

Ответ: Валентный угол в молекуле $SO_2$ не равен $180^\circ$, так как центральный атом серы, помимо двух связывающих электронных пар (в связях с кислородом), имеет одну неподеленную электронную пару. Наличие трех областей электронной плотности приводит к треугольной электронной геометрии и, как следствие, к угловой форме самой молекулы с валентным углом, близким к $120^\circ$, а не к линейной форме с углом $180^\circ$.

7.98. При сгорании на воздухе раствора серы в сероуглероде ${\mathrm{CS}}_2$ массой 102 г образовалась газовая смесь объёмом 78,4 л (н. у.). Найдите массовую долю серы в растворе.

Дано:

$m(раствора) = 102$ г
$V(\text{газовой смеси}) = 78,4$ л (н. у.)
$V_{m} = 22,4$ л/моль

Найти:

$ω(S) - ?$

Решение:

При сгорании на воздухе раствора, состоящего из серы $(S)$ и сероуглерода $(CS_2)$, происходят следующие химические реакции:

1) Горение серы: $S + O_2 \rightarrow SO_2$

2) Горение сероуглерода: $CS_2 + 3O_2 \rightarrow CO_2 + 2SO_2$

Образовавшаяся газовая смесь состоит из оксида серы(IV) $SO_2$ и оксида углерода(IV) $CO_2$.

Пусть масса серы в исходном растворе равна $x$ г, а масса сероуглерода равна $y$ г. Тогда можно составить первое уравнение, исходя из общей массы раствора:

$x + y = 102$ (1)

Найдем молярные массы веществ:
$M(S) = 32$ г/моль
$M(CS_2) = 12 + 2 \cdot 32 = 76$ г/моль

Выразим количество вещества (в молях) серы и сероуглерода через $x$ и $y$:

$n(S) = \frac{m(S)}{M(S)} = \frac{x}{32}$ моль

$n(CS_2) = \frac{m(CS_2)}{M(CS_2)} = \frac{y}{76}$ моль

Согласно уравнениям реакций, найдем количество вещества газообразных продуктов:

Из реакции (1) образуется $n_1(SO_2) = n(S) = \frac{x}{32}$ моль.

Из реакции (2) образуется $n(CO_2) = n(CS_2) = \frac{y}{76}$ моль и $n_2(SO_2) = 2 \cdot n(CS_2) = 2 \cdot \frac{y}{76} = \frac{y}{38}$ моль.

Общее количество вещества газовой смеси равно сумме количеств веществ всех образовавшихся газов:

$n(\text{смеси}) = n(CO_2) + n_1(SO_2) + n_2(SO_2) = \frac{y}{76} + \frac{x}{32} + \frac{y}{38}$

С другой стороны, общее количество вещества газовой смеси можно рассчитать, используя её объём при нормальных условиях (н. у.):

$n(\text{смеси}) = \frac{V(\text{смеси})}{V_m} = \frac{78,4 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 3,5$ моль

Приравняем два выражения для $n(\text{смеси})$ и получим второе уравнение. Упростим его, приведя дроби с $y$ к общему знаменателю 76:

$\frac{x}{32} + \frac{y}{76} + \frac{2y}{76} = 3,5$

$\frac{x}{32} + \frac{3y}{76} = 3,5$ (2)

Теперь у нас есть система из двух уравнений с двумя неизвестными:

$\begin{cases} x + y = 102 \\ \frac{x}{32} + \frac{3y}{76} = 3,5 \end{cases}$

Из первого уравнения выразим $y = 102 - x$ и подставим во второе уравнение:

$\frac{x}{32} + \frac{3(102 - x)}{76} = 3,5$

Для решения уравнения избавимся от знаменателей, умножив все его части на $2432$ (наименьшее общее кратное для 32 и 76, равное $32 \cdot 19 = 608$, но проще умножить на их произведение $32 \cdot 76 = 2432$):

$76x + 3 \cdot 32(102 - x) = 3,5 \cdot 2432$

$76x + 96(102 - x) = 8512$

$76x + 9792 - 96x = 8512$

$9792 - 8512 = 96x - 76x$

$1280 = 20x$

$x = \frac{1280}{20} = 64$ г

Таким образом, масса серы в растворе $m(S) = 64$ г.

Теперь найдем массовую долю серы в растворе:

$\omega(S) = \frac{m(S)}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{64 \text{ г}}{102 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 62,75\%$

Ответ: массовая доля серы в растворе составляет $62,75\%$.

7.99. Смесь сульфидов свинца(II) и алюминия массой 100 г обработали водой. Вы-делилось 4,48 л газа. Найдите массовые доли веществ в исходной смеси.

Дано:

$m(\text{смеси PbS и Al}_2\text{S}_3) = 100~\text{г}$
$V(\text{газа}) = 4,48~\text{л}$ (н.у.)

Найти:

$\omega(\text{PbS})$ - ?

$\omega(\text{Al}_2\text{S}_3)$ - ?

Решение:

В состав смеси входят сульфид свинца(II) ($PbS$) и сульфид алюминия ($Al_2S_3$). При взаимодействии с водой только сульфид алюминия вступает в реакцию, так как он подвергается полному и необратимому гидролизу с образованием гидроксида алюминия и сероводорода. Сульфид свинца(II) — практически нерастворимое в воде соединение, которое с водой не реагирует.

Уравнение реакции гидролиза сульфида алюминия:

$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$

Выделившийся газ — это сероводород ($H_2S$). Найдем количество вещества выделившегося газа, исходя из того, что его объем измерен при нормальных условиях (н.у.), где молярный объем газа $V_m = 22,4~\text{л/моль}$.

$n(H_2S) = \frac{V(H_2S)}{V_m} = \frac{4,48~\text{л}}{22,4~\text{л/моль}} = 0,2~\text{моль}$

Согласно уравнению реакции, из 1 моль $Al_2S_3$ образуется 3 моль $H_2S$. Найдем количество вещества сульфида алюминия, которое вступило в реакцию:

$n(Al_2S_3) = \frac{1}{3} n(H_2S) = \frac{1}{3} \cdot 0,2~\text{моль} = \frac{0,2}{3}~\text{моль}$

Рассчитаем молярную массу сульфида алюминия ($Al_2S_3$):

$M(Al_2S_3) = 2 \cdot A_r(Al) + 3 \cdot A_r(S) = 2 \cdot 27~\text{г/моль} + 3 \cdot 32~\text{г/моль} = 54 + 96 = 150~\text{г/моль}$

Теперь найдем массу сульфида алюминия в исходной смеси:

$m(Al_2S_3) = n(Al_2S_3) \cdot M(Al_2S_3) = \frac{0,2}{3}~\text{моль} \cdot 150~\text{г/моль} = 0,2 \cdot 50~\text{г} = 10~\text{г}$

Общая масса смеси составляет 100 г. Зная массу сульфида алюминия, найдем массу сульфида свинца(II):

$m(PbS) = m(\text{смеси}) - m(Al_2S_3) = 100~\text{г} - 10~\text{г} = 90~\text{г}$

Наконец, рассчитаем массовые доли веществ в исходной смеси.

Массовая доля сульфида алюминия:

$\omega(Al_2S_3) = \frac{m(Al_2S_3)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{10~\text{г}}{100~\text{г}} \cdot 100\% = 10\%$

Массовая доля сульфида свинца(II):

$\omega(PbS) = \frac{m(PbS)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{90~\text{г}}{100~\text{г}} \cdot 100\% = 90\%$

Ответ: массовая доля $Al_2S_3$ в смеси составляет 10%, массовая доля $PbS$ — 90%.

7.100. Через 200 г 9,1%-го раствора ацетата меди(II) пропустили сероводород до окончания выпадения осадка. Найдите массу осадка и массовую долю растворённого вещества в конечном растворе.

Дано:

$m_{р-ра}((CH_3COO)_2Cu) = 200 \text{ г}$

$\omega((CH_3COO)_2Cu) = 9,1\% = 0.091$

Найти:

$m_{осадка}$ - ?

$\omega_{конечн}$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции, протекающей при пропускании сероводорода через раствор ацетата меди(II). Это реакция ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый в воде и уксусной кислоте черный осадок сульфида меди(II) и уксусная кислота:

$(CH_3COO)_2Cu + H_2S \rightarrow CuS\downarrow + 2CH_3COOH$

2. Рассчитаем массу чистого ацетата меди(II) в исходном растворе:

$m((CH_3COO)_2Cu) = m_{р-ра} \times \omega((CH_3COO)_2Cu) = 200 \text{ г} \times 0.091 = 18.2 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции. Для упрощения расчетов примем относительные атомные массы, округленные до целых чисел (C-12, H-1, O-16, S-32, Cu-64):

$M((CH_3COO)_2Cu) = 64 + 2 \times (12 \times 2 + 1 \times 3 + 16 \times 2) = 64 + 2 \times 59 = 182 \text{ г/моль}$

$M(CuS) = 64 + 32 = 96 \text{ г/моль}$

$M(CH_3COOH) = 12 \times 2 + 1 \times 4 + 16 \times 2 = 60 \text{ г/моль}$

$M(H_2S) = 1 \times 2 + 32 = 34 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества ацетата меди(II) в растворе:

$n((CH_3COO)_2Cu) = \frac{m((CH_3COO)_2Cu)}{M((CH_3COO)_2Cu)} = \frac{18.2 \text{ г}}{182 \text{ г/моль}} = 0.1 \text{ моль}$

5. По условию, сероводород пропускали до полного прекращения выпадения осадка. Это значит, что весь ацетат меди(II) прореагировал. Используя стехиометрические коэффициенты из уравнения реакции, найдем количество вещества продуктов и прореагировавшего сероводорода:

$n(CuS) = n((CH_3COO)_2Cu) = 0.1 \text{ моль}$

$n(CH_3COOH) = 2 \times n((CH_3COO)_2Cu) = 2 \times 0.1 = 0.2 \text{ моль}$

$n(H_2S)_{\text{прореаг.}} = n((CH_3COO)_2Cu) = 0.1 \text{ моль}$

6. Теперь мы можем найти массу выпавшего осадка (сульфида меди(II)):

$m_{осадка} = m(CuS) = n(CuS) \times M(CuS) = 0.1 \text{ моль} \times 96 \text{ г/моль} = 9.6 \text{ г}$

7. Далее найдем массовую долю растворенного вещества в конечном растворе. Новым растворенным веществом является уксусная кислота.

Найдем массу образовавшейся уксусной кислоты:

$m(CH_3COOH) = n(CH_3COOH) \times M(CH_3COOH) = 0.2 \text{ моль} \times 60 \text{ г/моль} = 12.0 \text{ г}$

Масса конечного раствора будет равна массе исходного раствора плюс масса поглощенного газа ($H_2S$) минус масса ушедшего из раствора осадка ($CuS$):

$m(H_2S)_{\text{прореаг.}} = n(H_2S)_{\text{прореаг.}} \times M(H_2S) = 0.1 \text{ моль} \times 34 \text{ г/моль} = 3.4 \text{ г}$

$m_{конечн. р-ра} = m_{исх. р-ра} + m(H_2S)_{\text{прореаг.}} - m_{осадка} = 200 \text{ г} + 3.4 \text{ г} - 9.6 \text{ г} = 193.8 \text{ г}$

Рассчитаем массовую долю уксусной кислоты в конечном растворе:

$\omega_{конечн}(CH_3COOH) = \frac{m(CH_3COOH)}{m_{конечн. р-ра}} \times 100\% = \frac{12.0 \text{ г}}{193.8 \text{ г}} \times 100\% \approx 6.19\%$

Ответ: масса осадка составляет 9,6 г, массовая доля растворенного вещества (уксусной кислоты) в конечном растворе равна 6,19%.