Страница 132 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

7. Напишите уравнение реакции, происходящей между алюминием и соляной кислотой. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Вычислите объём выделившегося газа (н. у.) и массу соли, полученной в реакции, если использовали 5,4 г металла и 21 г кислоты.

Напишите уравнение реакции, происходящей между алюминием и соляной кислотой. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

Реакция между алюминием (Al) и соляной кислотой (HCl) является реакцией замещения. Алюминий, как более активный металл, вытесняет водород из кислоты. Продуктами реакции являются хлорид алюминия ($AlCl_3$) и газообразный водород ($H_2$).

Схема реакции: $Al + HCl \rightarrow AlCl_3 + H_2$

Для расстановки коэффициентов применим метод электронного баланса. Сначала определим степени окисления элементов в реагентах и продуктах:

$Al^0 + H^{+1}Cl^{-1} \rightarrow Al^{+3}(Cl^{-1})_3 + H_2^0$

Элементы, изменившие свою степень окисления, — это алюминий и водород. Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ | 2 | Процесс окисления, Al - восстановитель
$2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$ | 3 | Процесс восстановления, $H^{+1}$ - окислитель

Число электронов, отданных в процессе окисления, должно быть равно числу электронов, принятых в процессе восстановления. Находим наименьшее общее кратное для чисел 3 и 2, оно равно 6. Таким образом, домножаем первую полуреакцию на 2, а вторую — на 3. Эти числа являются коэффициентами для соответствующих веществ в уравнении реакции.

Итоговое сбалансированное уравнение реакции:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$

Ответ: $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$.

Вычислите объём выделившегося газа (н. у.) и массу соли, полученной в реакции, если использовали 5,4 г металла и 21 г кислоты.

Дано:

$m(Al) = 5.4 \text{ г}$
$m(HCl) = 21 \text{ г}$

Найти:

$V(H_2) - ?$
$m(AlCl_3) - ?$

Решение:

1. Найдём молярные массы веществ, участвующих в расчетах:
$M(Al) = 27 \text{ г/моль}$
$M(HCl) = 1 + 35.5 = 36.5 \text{ г/моль}$
$M(AlCl_3) = 27 + 3 \times 35.5 = 133.5 \text{ г/моль}$

2. Определим количество вещества (в молях) для каждого из реагентов:
$\nu(Al) = \frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{5.4 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = 0.2 \text{ моль}$
$\nu(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{21 \text{ г}}{36.5 \text{ г/моль}} \approx 0.5753 \text{ моль}$

3. Определим, какой из реагентов находится в недостатке (лимитирующий реагент), так как по нему будет вестись дальнейший расчет. Согласно уравнению реакции $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$, реагенты вступают в реакцию в мольном соотношении $2:6$ или $1:3$.
Рассчитаем, какое количество HCl теоретически необходимо для реакции с $0.2 \text{ моль}$ Al:
$\nu_{теор}(HCl) = 3 \times \nu(Al) = 3 \times 0.2 \text{ моль} = 0.6 \text{ моль}$
Поскольку в наличии имеется только $0.5753 \text{ моль}$ HCl, что меньше, чем требуется ($0.5753 < 0.6$), соляная кислота находится в недостатке и является лимитирующим реагентом. Алюминий находится в избытке.

4. Рассчитаем количество вещества продуктов реакции по лимитирующему реагенту (HCl):
Из уравнения реакции следует, что из $6 \text{ моль}$ HCl образуется $3 \text{ моль } H_2$ и $2 \text{ моль } AlCl_3$.
$\nu(H_2) = \nu(HCl) \times \frac{3}{6} = 0.5753 \text{ моль} \times 0.5 \approx 0.2877 \text{ моль}$
$\nu(AlCl_3) = \nu(HCl) \times \frac{2}{6} = 0.5753 \text{ моль} \times \frac{1}{3} \approx 0.1918 \text{ моль}$

5. Вычислим объем выделившегося водорода при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.
$V(H_2) = \nu(H_2) \times V_m = 0.2877 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} \approx 6.44 \text{ л}$

6. Вычислим массу образовавшейся соли (хлорида алюминия):
$m(AlCl_3) = \nu(AlCl_3) \times M(AlCl_3) = 0.1918 \text{ моль} \times 133.5 \text{ г/моль} \approx 25.6 \text{ г}$

7. Округлим результаты в соответствии с точностью исходных данных (две значащие цифры):
$V(H_2) \approx 6.4 \text{ л}$
$m(AlCl_3) \approx 26 \text{ г}$

Ответ: объём выделившегося газа (водорода) составляет примерно $6.4 \text{ л}$, масса полученной соли (хлорида алюминия) — примерно $26 \text{ г}$.

8. Какое количество теплоты потребуется для разложения 8 кг известняка, массовая доля примесей в котором 5%? Термохимическое уравнение

$\text{CaCO}_3(\text{тв}) = \text{CaO}(\text{тв}) + \text{CO}_2(\text{г}) - 177,650 \text{ кДж}$

Дано:

$m_{известняка} = 8 \text{ кг}$
$w_{примесей} = 5\% = 0.05$
Термохимическое уравнение: $CaCO_3(тв) = CaO(тв) + CO_2(г) - 177,650 \text{ кДж}$

Найти:

$Q$ - ?

Решение:

1. Термохимическое уравнение показывает, что для разложения 1 моль твердого карбоната кальция ($CaCO_3$) требуется 177,650 кДж теплоты. Это эндотермическая реакция, так как теплота поглощается (указано знаком минус в продуктах реакции, что эквивалентно $\Delta H = +177,650 \text{ кДж/моль}$).

2. Известняк — это горная порода, состоящая в основном из карбоната кальция, но содержащая примеси. Найдем массу чистого $CaCO_3$ в 8 кг известняка.

Массовая доля чистого карбоната кальция в известняке составляет:
$w(CaCO_3) = 100\% - w_{примесей} = 100\% - 5\% = 95\% = 0.95$

Теперь вычислим массу чистого $CaCO_3$, который подвергается разложению:
$m(CaCO_3) = m_{известняка} \times w(CaCO_3) = 8 \text{ кг} \times 0.95 = 7.6 \text{ кг}$

3. Рассчитаем молярную массу карбоната кальция ($CaCO_3$), используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы: $Ar(Ca) \approx 40$, $Ar(C) \approx 12$, $Ar(O) \approx 16$.
$M(CaCO_3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3 \times Ar(O) = 40 + 12 + 3 \times 16 = 100 \text{ г/моль}$

Для удобства расчетов переведем молярную массу в кг/моль:
$M(CaCO_3) = 100 \text{ г/моль} = 0.1 \text{ кг/моль}$

4. Найдем количество вещества (число молей) $CaCO_3$ в 7.6 кг:
$n(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{M(CaCO_3)} = \frac{7.6 \text{ кг}}{0.1 \text{ кг/моль}} = 76 \text{ моль}$

5. Зная, что на разложение 1 моль $CaCO_3$ требуется 177,650 кДж теплоты, составим пропорцию и найдем общее количество теплоты ($Q$), необходимое для разложения 76 моль $CaCO_3$:

$1 \text{ моль } CaCO_3 \text{ --- } 177.650 \text{ кДж}$
$76 \text{ моль } CaCO_3 \text{ --- } Q \text{ кДж}$

$Q = n(CaCO_3) \times 177.650 \text{ кДж/моль} = 76 \text{ моль} \times 177.650 \text{ кДж/моль} = 13501.4 \text{ кДж}$

Ответ: для разложения 8 кг известняка потребуется 13501,4 кДж теплоты.

9. При обработке 9 г смеси, состоящей из алюминия и его оксида, 40 %-ным раствором гидроксида натрия (плотность $1,4 \text{ г/см}^3$) выделилось 3,36 л газа (н. у.). Определите процентный состав исходной смеси и объём раствора $NaOH$, вступившего в реакцию.

Дано:

$m_{смеси}(Al, Al_2O_3) = 9 \text{ г}$

$\omega(NaOH) = 40\% = 0.4$

$\rho_{раствора}(NaOH) = 1.4 \text{ г/см}^3$

$V(H_2) = 3.36 \text{ л}$ (н. у.)

Перевод в систему СИ:

$m_{смеси} = 9 \text{ г} = 9 \cdot 10^{-3} \text{ кг}$

$\rho_{раствора}(NaOH) = 1.4 \text{ г/см}^3 = 1400 \text{ кг/м}^3$

$V(H_2) = 3.36 \text{ л} = 3.36 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

$\omega(Al) - ?$

$\omega(Al_2O_3) - ?$

$V_{раствора}(NaOH) - ?$

Решение:

При обработке смеси алюминия и его оксида водным раствором гидроксида натрия происходят следующие химические реакции:

1. Взаимодействие металлического алюминия с раствором щелочи с образованием водорода:

$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$

2. Взаимодействие амфотерного оксида алюминия с раствором щелочи:

$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

Газ (водород) выделяется только в первой реакции. Это позволяет определить массу алюминия в исходной смеси.

1. Определим количество вещества выделившегося водорода ($H_2$). При нормальных условиях (н. у.) молярный объем газа $V_m$ составляет 22,4 л/моль.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{3.36 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.15 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции (1) найдем количество вещества и массу алюминия ($Al$), вступившего в реакцию.

Согласно стехиометрическим коэффициентам, соотношение количеств веществ алюминия и водорода составляет $n(Al) : n(H_2) = 2 : 3$.

$n(Al) = \frac{2}{3} \cdot n(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 0.15 \text{ моль} = 0.1 \text{ моль}$

Молярная масса алюминия $M(Al) = 27 \text{ г/моль}$.

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = 0.1 \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 2.7 \text{ г}$

3. Теперь определим процентный состав исходной смеси.

Масса оксида алюминия ($Al_2O_3$) в смеси:

$m(Al_2O_3) = m_{смеси} - m(Al) = 9 \text{ г} - 2.7 \text{ г} = 6.3 \text{ г}$

Массовая доля алюминия в смеси:

$\omega(Al) = \frac{m(Al)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{2.7 \text{ г}}{9 \text{ г}} \cdot 100\% = 30\%$

Массовая доля оксида алюминия в смеси:

$\omega(Al_2O_3) = \frac{m(Al_2O_3)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{6.3 \text{ г}}{9 \text{ г}} \cdot 100\% = 70\%$

4. Далее рассчитаем объем раствора $NaOH$, который потребовался для полного растворения смеси.

Гидроксид натрия расходовался на обе реакции. Рассчитаем общее количество вещества $NaOH$.

Количество $NaOH$, прореагировавшего с $Al$ (реакция 1):

Из уравнения $n_1(NaOH) = n(Al) = 0.1 \text{ моль}$.

Количество $NaOH$, прореагировавшего с $Al_2O_3$ (реакция 2). Сначала найдем количество вещества $Al_2O_3$.

Молярная масса $M(Al_2O_3) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 16 = 102 \text{ г/моль}$.

$n(Al_2O_3) = \frac{m(Al_2O_3)}{M(Al_2O_3)} = \frac{6.3 \text{ г}}{102 \text{ г/моль}} = \frac{21}{340} \text{ моль} \approx 0.0618 \text{ моль}$

Из уравнения (2) соотношение $n(Al_2O_3) : n(NaOH) = 1 : 2$.

$n_2(NaOH) = 2 \cdot n(Al_2O_3) = 2 \cdot \frac{21}{340} = \frac{42}{340} = \frac{21}{170} \text{ моль}$

Общее количество вещества $NaOH$:

$n_{общ}(NaOH) = n_1(NaOH) + n_2(NaOH) = 0.1 + \frac{21}{170} = \frac{1}{10} + \frac{21}{170} = \frac{17}{170} + \frac{21}{170} = \frac{38}{170} = \frac{19}{85} \text{ моль}$

5. Найдем массу чистого $NaOH$, а затем массу и объем его раствора.

Молярная масса $M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$.

$m(NaOH) = n_{общ}(NaOH) \cdot M(NaOH) = \frac{19}{85} \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = \frac{760}{85} = \frac{152}{17} \text{ г} \approx 8.94 \text{ г}$

Масса 40%-го раствора $NaOH$:

$m_{раствора}(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{\omega(NaOH)} = \frac{152/17 \text{ г}}{0.4} = \frac{152}{17 \cdot 0.4} = \frac{152}{6.8} = \frac{380}{17} \text{ г} \approx 22.35 \text{ г}$

Объем раствора $NaOH$ (учитывая, что $1 \text{ см}^3 = 1 \text{ мл}$):

$V_{раствора}(NaOH) = \frac{m_{раствора}(NaOH)}{\rho_{раствора}} = \frac{380/17 \text{ г}}{1.4 \text{ г/см}^3} = \frac{380}{17 \cdot 1.4} = \frac{380}{23.8} = \frac{1900}{119} \text{ см}^3 \approx 15.97 \text{ см}^3 \text{ (мл)}$

Ответ: Процентный состав исходной смеси: 30% алюминия и 70% оксида алюминия. Объем 40%-го раствора гидроксида натрия, вступившего в реакцию, составляет 15,97 мл.

1. Химический элемент, у которого распределение электронов в атоме по электронным слоям 2, 8, 8, 1, в периодической системе Д. И. Менделеева расположен

1) в 4-м периоде, I группе

2) в 4-м периоде, II группе

3) в 3-м периоде, I группе

4) в 3-м периоде, II группе

Дано:

Распределение электронов в атоме по электронным слоям: 2, 8, 8, 1.

Найти:

Положение химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Решение:

Положение химического элемента в периодической системе определяется его электронной конфигурацией.

1. Номер периода соответствует числу электронных слоев в атоме. В данном случае указано четыре числа (2, 8, 8, 1), что означает наличие четырех электронных слоев. Следовательно, элемент находится в 4-м периоде.

2. Номер группы для элементов главных подгрупп (к которым относится данный элемент, так как у него заполняются s- и p-подуровни) равен числу электронов на внешнем электронном слое. Внешним является четвертый слой, на котором находится 1 электрон. Следовательно, элемент расположен в I группе.

3. Общее число электронов определяет порядковый номер элемента: $2 + 8 + 8 + 1 = 19$. Элемент с порядковым номером 19 — это Калий (K), который действительно находится в 4-м периоде, I группе, главной подгруппе.

Таким образом, химический элемент с данным распределением электронов расположен в 4-м периоде, I группе.

Ответ: 1) в 4-м периоде, I группе

2. Распределение электронов по электронным слоям 2, 8, 8, 2 соответствует строению атома

1) углерода

2) кальция

3) алюминия

4) кремния

Дано:

Распределение электронов по электронным слоям: 2, 8, 8, 2.

Найти:

Химический элемент, которому соответствует данное строение атома.

Решение:

Для того чтобы определить химический элемент, необходимо найти общее число электронов в его атоме. Это можно сделать, сложив число электронов на каждом электронном слое:

$2 + 8 + 8 + 2 = 20$ электронов.

В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов в ядре. Число протонов, в свою очередь, соответствует порядковому номеру элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Следовательно, мы ищем элемент с порядковым номером 20.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) Углерод (C) — элемент с порядковым номером 6. Его электронная конфигурация: 2, 4.

2) Кальций (Ca) — элемент с порядковым номером 20. Он находится в 4-м периоде, II группе, главной подгруппе. Распределение электронов по его четырем электронным слоям: 2, 8, 8, 2. Это соответствует условию задачи.

3) Алюминий (Al) — элемент с порядковым номером 13. Его электронная конфигурация: 2, 8, 3.

4) Кремний (Si) — элемент с порядковым номером 14. Его электронная конфигурация: 2, 8, 4.

Таким образом, распределение электронов 2, 8, 8, 2 соответствует строению атома кальция.

Ответ: 2) кальция.

3. Наиболее ярко выраженные металлические свойства проявляет простое вещество, образованное атомами со следующим строением электронной оболочки:

1) $2, 3$

2) $2, 8, 3$

3) $2, 8, 18, 3$

4) $2, 8, 18, 18, 3$

Решение

Металлические свойства элемента характеризуют его способность отдавать валентные электроны. Чем легче атом отдает электроны, тем сильнее выражены его металлические свойства. В периодической системе химических элементов металлические свойства усиливаются в группе сверху вниз и ослабевают в периоде слева направо.

В предложенных вариантах ответов дано распределение электронов по энергетическим уровням (электронным оболочкам) для четырех химических элементов. Число электронов на внешнем энергетическом уровне для всех атомов равно 3. Это означает, что все эти элементы находятся в одной и той же группе (в данном случае, в 13-й группе или главной подгруппе III группы).

Чтобы определить, какой из элементов проявляет наиболее ярко выраженные металлические свойства, нужно найти элемент, расположенный в группе ниже остальных, то есть элемент с наибольшим числом энергетических уровней (наибольшим номером периода).

Рассмотрим каждый случай:

1) 2, 3
Атом имеет 2 энергетических уровня, находится во 2-м периоде. Общее число электронов: $2 + 3 = 5$. Это Бор (B).

2) 2, 8, 3
Атом имеет 3 энергетических уровня, находится в 3-м периоде. Общее число электронов: $2 + 8 + 3 = 13$. Это Алюминий (Al).

3) 2, 8, 18, 3
Атом имеет 4 энергетических уровня, находится в 4-м периоде. Общее число электронов: $2 + 8 + 18 + 3 = 31$. Это Галий (Ga).

4) 2, 8, 18, 18, 3
Атом имеет 5 энергетических уровней, находится в 5-м периоде. Общее число электронов: $2 + 8 + 18 + 18 + 3 = 49$. Это Индий (In).

Все элементы (B, Al, Ga, In) находятся в 13-й группе. В ряду B → Al → Ga → In число энергетических уровней увеличивается, следовательно, растет радиус атома. С увеличением радиуса атома валентные электроны находятся дальше от ядра и слабее притягиваются к нему, поэтому их легче отдать. Таким образом, металлические свойства в этом ряду усиливаются.

Наибольшее число энергетических уровней (пять) имеет атом с электронной конфигурацией 2, 8, 18, 18, 3. Этот элемент (Индий) расположен в группе ниже остальных из представленных и, следовательно, обладает наиболее ярко выраженными металлическими свойствами.

Ответ: 4