Страница 103 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

6. Железо массой 7 г прореагировало с хлором массой 25 г. Образовавшийся хлорид растворили в 200 г воды. Вычислите массовую долю соли в полученном растворе.

Дано:

$m(Fe) = 7 \text{ г}$

$m(Cl_2) = 25 \text{ г}$

$m(H_2O) = 200 \text{ г}$

Найти:

$\omega(соли) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции взаимодействия железа с хлором. Хлор является сильным окислителем, поэтому железо окисляется до степени окисления +3, образуя хлорид железа(III):

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

2. Найдем молярные массы веществ, участвующих в реакции:

$M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$

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

$M(FeCl_3) = 56 + 3 \times 35.5 = 56 + 106.5 = 162.5 \text{ г/моль}$

3. Определим, какое из исходных веществ находится в недостатке (является лимитирующим реагентом). Для этого вычислим количество вещества (в молях) для железа и хлора:

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{7 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0.125 \text{ моль}$

$n(Cl_2) = \frac{m(Cl_2)}{M(Cl_2)} = \frac{25 \text{ г}}{71 \text{ г/моль}} \approx 0.352 \text{ моль}$

4. Сравним полученные количества веществ с их стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. Согласно уравнению, на 2 моль железа требуется 3 моль хлора. Посмотрим, сколько хлора потребовалось бы для реакции с 0.125 моль железа:

$n_{теор.}(Cl_2) = n(Fe) \times \frac{3}{2} = 0.125 \text{ моль} \times 1.5 = 0.1875 \text{ моль}$

Так как фактическое количество хлора (0.352 моль) больше теоретически необходимого (0.1875 моль), хлор находится в избытке, а железо прореагировало полностью. Дальнейшие расчеты ведем по недостатку, то есть по железу.

5. Найдем количество вещества и массу образовавшегося хлорида железа(III). По уравнению реакции:

$n(FeCl_3) = n(Fe) = 0.125 \text{ моль}$

Теперь вычислим массу соли (хлорида железа(III)):

$m(FeCl_3) = n(FeCl_3) \times M(FeCl_3) = 0.125 \text{ моль} \times 162.5 \text{ г/моль} = 20.3125 \text{ г}$

6. Вычислим массу полученного раствора. Масса раствора складывается из массы растворенного вещества (соли) и массы растворителя (воды):

$m_{раствора} = m(FeCl_3) + m(H_2O) = 20.3125 \text{ г} + 200 \text{ г} = 220.3125 \text{ г}$

7. Рассчитаем массовую долю соли в полученном растворе по формуле:

$\omega(соли) = \frac{m(соли)}{m_{раствора}} \times 100\%$

$\omega(FeCl_3) = \frac{20.3125 \text{ г}}{220.3125 \text{ г}} \times 100\% \approx 9.22\%$

Ответ: Массовая доля соли (хлорида железа(III)) в полученном растворе составляет 9.22%.

7*. Для зарядки аккумулятора требуется серная кислота объёмом 5 л с массовой долей кислоты 20 %. Какая масса серной кислоты с массовой долей кислоты 95 % потребуется для приготовления такого объёма кислоты плотностью 1,142 г/мл?

Дано:

Объем конечного раствора (раствор 1), $V_1 = 5 \text{ л}$
Массовая доля кислоты в конечном растворе, $w_1 = 20\%$
Плотность конечного раствора, $\rho_1 = 1,142 \text{ г/мл}$
Массовая доля кислоты в исходном растворе (раствор 2), $w_2 = 95\%$

Переведем данные в согласованные единицы:
$V_1 = 5 \text{ л} = 5000 \text{ мл}$
$w_1 = 20\% = 0,20$
$w_2 = 95\% = 0,95$

Найти:

Массу исходного 95%-го раствора, $m_2$ - ?

Решение:

1. Сначала найдем массу конечного 20%-го раствора серной кислоты ($m_1$), который необходимо приготовить. Для этого используем формулу, связывающую массу, плотность и объем: $m = \rho \cdot V$.

$m_1 = \rho_1 \cdot V_1 = 1,142 \text{ г/мл} \cdot 5000 \text{ мл} = 5710 \text{ г}$

2. Далее рассчитаем массу чистой серной кислоты ($m_{H_2SO_4}$), которая содержится в этом растворе. Массовая доля ($w$) определяется как отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора: $w = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$. Отсюда, масса вещества равна произведению массы раствора на массовую долю.

$m_{H_2SO_4} = m_1 \cdot w_1 = 5710 \text{ г} \cdot 0,20 = 1142 \text{ г}$

3. При разбавлении концентрированного раствора водой масса растворенного вещества (в данном случае, чистой серной кислоты) не изменяется. Это означает, что вся масса чистой кислоты (1142 г), необходимая для конечного раствора, должна быть взята из исходного 95%-го раствора.

4. Теперь найдем, какую массу 95%-го раствора ($m_2$) необходимо взять, чтобы в ней содержалось 1142 г чистой серной кислоты. Для этого воспользуемся той же формулой для массовой доли, выразив из нее массу раствора: $m_{раствора} = \frac{m_{вещества}}{w}$.

$m_2 = \frac{m_{H_2SO_4}}{w_2} = \frac{1142 \text{ г}}{0,95} \approx 1202,1 \text{ г}$

Эту массу можно также выразить в килограммах: $1202,1 \text{ г} = 1,2021 \text{ кг}$.

Ответ: для приготовления требуемого раствора потребуется 1202,1 г (или ~1,2 кг) серной кислоты с массовой долей 95%.

1. Определите, верны ли следующие суждения.

А. В гальваническом элементе анод заряжен отрицательно, а катод — положительно.

Б. Аккумуляторы — это гальванические элементы, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая — снова в электрическую.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Решение

Для определения правильного варианта ответа проанализируем каждое из предложенных суждений.

А. В гальваническом элементе анод заряжен отрицательно, а катод — положительно.

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором энергия самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую энергию.

Анод — это электрод, на котором происходит процесс окисления, то есть отдача электронов. Например, в медно-цинковом элементе на цинковом аноде происходит реакция: $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$. В результате этого процесса на аноде скапливается избыток электронов, и он приобретает отрицательный заряд. Он является отрицательным полюсом источника тока.

Катод — это электрод, на котором происходит процесс восстановления, то есть присоединение электронов. В том же элементе на медном катоде происходит реакция: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$. Расход электронов и притяжение катионов из раствора придают катоду положительный заряд. Он является положительным полюсом источника тока.

Таким образом, данное суждение является верным.

Ответ: суждение верно.

Б. Аккумуляторы — это гальванические элементы, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая — снова в электрическую.

Аккумулятор — это вторичный (перезаряжаемый) химический источник тока. Его особенность заключается в обратимости протекающих в нем химических процессов.

1. При разряде аккумулятор работает как гальванический элемент: накопленная химическая энергия преобразуется в электрическую.

2. При заряде аккумулятор работает как электролизер (электролитическая ячейка): под действием внешнего источника тока электрическая энергия преобразуется в химическую, которая накапливается в аккумуляторе.

Суждение содержит неточность. Оно утверждает, что "аккумуляторы — это гальванические элементы", но затем описывает процесс заряда ("электрическая энергия превращается в химическую"), который характерен для электролитической ячейки, а не для гальванического элемента. Гальванический элемент по определению только преобразует химическую энергию в электрическую.

Таким образом, данное суждение является неверным.

Ответ: суждение неверно.

По результатам анализа, суждение А верно, а суждение Б неверно. Следовательно, из предложенных вариантов правильным является тот, который гласит "верно только А".

Ответ: 1

2. К химическим источникам тока не относят

1) аккумуляторы

2) топливные элементы

3) электролизёры

4) гальванические элементы

Химический источник тока — это устройство, в котором энергия, выделяющаяся при химической реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию. Чтобы определить, какой из предложенных вариантов не является химическим источником тока, проанализируем каждый из них.

1) аккумуляторы
Аккумулятор — это устройство, которое накапливает энергию (путём преобразования электрической энергии в химическую при заряде) и отдаёт её для питания устройств (преобразуя химическую энергию в электрическую при разряде). Так как он способен генерировать ток за счёт химических реакций, он является химическим источником тока (вторичным).

2) топливные элементы
Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода) в электрическую энергию. Это прямой пример химического источника тока.

3) электролизёры
Электролизёр — это устройство, которое использует электрический ток для проведения химической реакции, называемой электролизом (например, разложение воды на водород и кислород). В отличие от источника тока, электролизёр не производит, а потребляет электрическую энергию, преобразуя её в химическую. Таким образом, он не является источником тока.

4) гальванические элементы
Гальванический элемент (например, обычная батарейка) — это устройство, в котором энергия спонтанной окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую. Это классический пример химического источника тока (первичного).

Следовательно, единственное устройство из списка, которое не является химическим источником тока, — это электролизёр.

Ответ: 3

Используя дополнительные источники информации, разберитесь, как устроен гальванический элемент Даниэля—Якоби, и нарисуйте схему его работы. Обсудите результаты работы с соседом по парте. Подготовьте электронную презентацию на тему «Применение химических источников тока».

Устройство и принцип работы гальванического элемента Даниэля—Якоби

Решение

Гальванический элемент Даниэля—Якоби — это классический химический источник тока, преобразующий энергию химической реакции в электрическую энергию. Он был предложен английским химиком Джоном Фредериком Даниэлем в 1836 году и усовершенствован русским физиком Борисом Семёновичем Якоби.

Устройство элемента

Элемент состоит из двух полуэлементов (полуячеек), соединенных внешним проводником и солевым мостом (или разделенных пористой перегородкой).

• Отрицательный электрод (анод): Цинковая пластина ($Zn$), погруженная в раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$).
• Положительный электрод (катод): Медная пластина ($Cu$), погруженная в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$).
• Солевой мост: U-образная трубка, заполненная гелем с раствором инертной соли (например, хлорида калия $KCl$ или сульфата натрия $Na_2SO_4$). Мост соединяет два раствора, позволяя ионам перемещаться между полуэлементами для поддержания электронейтральности, но предотвращает смешивание растворов.
• Внешняя цепь: Электроды соединяются металлическим проводником, по которому движутся электроны. В цепь можно включить потребитель тока (например, вольтметр или лампочку).

Принцип работы

Работа элемента основана на окислительно-восстановительной реакции. Цинк является более активным металлом, чем медь, поэтому он легче отдает электроны (окисляется).

1. На аноде (отрицательном полюсе) происходит окисление цинка. Атомы цинка с поверхности пластины отдают два электрона и переходят в раствор в виде ионов $Zn^{2+}$:
   $A(-): Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
   Цинковая пластина постепенно растворяется, а концентрация ионов $Zn^{2+}$ в растворе увеличивается. Электрод приобретает отрицательный заряд из-за избытка электронов.
2. Электроны, освободившиеся на аноде, по внешней цепи перемещаются к катоду (положительному полюсу).
3. На катоде происходит восстановление ионов меди. Ионы меди $Cu^{2+}$ из раствора сульфата меди принимают электроны и превращаются в атомы металлической меди, которые оседают на поверхности медной пластины:
   $K(+): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$
   Медная пластина утолщается, а концентрация ионов $Cu^{2+}$ в растворе уменьшается.
4. Роль солевого моста: Чтобы компенсировать изменение зарядов в растворах (избыток положительных ионов $Zn^{2+}$ у анода и недостаток положительных ионов $Cu^{2+}$ у катода), ионы из солевого моста начинают двигаться. Анионы (например, $SO_4^{2-}$) движутся в сторону анода, а катионы (например, $Na^+$) — в сторону катода, замыкая электрическую цепь и обеспечивая её непрерывную работу.

Суммарное уравнение реакции:

$Zn^0 + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu^0$

Или в ионном виде:

$Zn^0 + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu^0$

Электродвижущая сила (ЭДС) такого элемента в стандартных условиях ($1$ моль/л, $25^\circ C$) составляет примерно $1,1$ В.

Схема работы элемента Даниэля—Якоби

Ответ: Гальванический элемент Даниэля—Якоби состоит из цинкового анода в растворе сульфата цинка и медного катода в растворе сульфата меди, соединенных солевым мостом. Электрический ток возникает за счет окисления цинка на аноде ($Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$) и восстановления ионов меди на катоде ($Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$), а электроны перемещаются по внешней цепи от цинка к меди.

Подготовьте электронную презентацию на тему «Применение химических источников тока»

Решение

Ниже представлен план-конспект для электронной презентации на заданную тему. Он включает структуру и содержание каждого слайда.

План презентации: «Применение химических источников тока»

Слайд 1: Титульный лист

• Тема: «Применение химических источников тока»
• Автор(ы): Ф.И.О.
• Учебное заведение, класс

Слайд 2: Введение

• Что такое химический источник тока (ХИТ)? Это устройство, в котором энергия химической окислительно-восстановительной реакции напрямую преобразуется в электрическую энергию.
• Классификация ХИТ:
  • Первичные (гальванические элементы) – одноразовые, не подлежат перезарядке.
  • Вторичные (аккумуляторы) – многоразовые, перезаряжаемые.
  • Топливные элементы.

Слайд 3: Первичные источники тока (Батарейки)

• Принцип действия: необратимая химическая реакция.
• Примеры и применение:
  • Солевые (марганцево-цинковые): Дешевые, для устройств с низким потреблением тока (пульты ДУ, настенные часы, простые игрушки).
  • Щелочные (алкалиновые): Большая ёмкость и срок службы. Для устройств со средним и высоким потреблением (фотоаппараты, плееры, мощные фонари).
  • Литиевые: Высокая плотность энергии, долгий срок хранения, работа при низких температурах. Применение: материнские платы компьютеров, кардиостимуляторы, часы, калькуляторы.

Слайд 4: Вторичные источники тока (Аккумуляторы)

• Принцип действия: обратимая химическая реакция, возможность многократной зарядки.
• Примеры и применение:
  • Свинцово-кислотные: Автомобильные аккумуляторы (запуск двигателя), источники бесперебойного питания (ИБП).
  • Никель-металлгидридные (Ni-MH): Электроинструменты, гибридные автомобили.
  • Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po): Доминируют на рынке портативной электроники (смартфоны, ноутбуки), электротранспорт (электромобили, дроны).

Слайд 5: Топливные элементы

• Особенность: Работают до тех пор, пока подаются реагенты (топливо и окислитель) извне.
• Пример: Водородно-кислородный топливный элемент. Реакция: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O +$ энергия.
• Применение: Космическая отрасль (например, на МКС и в "Спейс шаттл"), резервное энергоснабжение, экологически чистый транспорт (водородные автомобили).

Слайд 6: Будущее химических источников тока

• Основные направления развития:
  • Увеличение ёмкости и плотности энергии.
  • Повышение безопасности (предотвращение возгораний).
  • Ускорение процесса зарядки.
  • Снижение стоимости и использование более доступных материалов.
• Перспективные технологии: твердотельные аккумуляторы, натрий-ионные, литий-серные.

Слайд 7: Заключение и экологические аспекты

• ХИТ — неотъемлемая часть современного мира.
• Проблема утилизации: Батарейки и аккумуляторы содержат токсичные вещества (тяжелые металлы, кислоты, щелочи). Нельзя выбрасывать с бытовым мусором.
• Важность переработки: Необходимо сдавать использованные батарейки в специальные пункты приема для безопасной утилизации и извлечения ценных компонентов.

Слайд 8: Спасибо за внимание!

• Готов(а) ответить на ваши вопросы.

Ответ: Представлен подробный пошаговый план для создания электронной презентации, охватывающий введение в химические источники тока, их классификацию, примеры применения различных типов (первичных, вторичных, топливных элементов), перспективы развития и экологические вопросы, связанные с их утилизацией.