Страница 9 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какое значение имеет закон сохранения массы в химической науке и практике?

Закон сохранения массы веществ, сформулированный независимо М.В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1789 году, является одним из фундаментальных законов природы и краеугольным камнем химии. Он гласит: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Этот закон имеет огромное теоретическое и практическое значение.

В химии как науке закон сохранения массы играет ключевую роль, определяя ее количественный характер:

• Основа для химических уравнений. Закон лежит в основе составления уравнений химических реакций, которые являются его математическим выражением. Согласно закону, количество атомов каждого химического элемента в левой части уравнения (реагенты) должно быть равно количеству атомов этого же элемента в правой части (продукты). Это позволяет расставлять стехиометрические коэффициенты. Например, в реакции горения метана $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ число атомов углерода, водорода и кислорода слева и справа одинаково.
• Подтверждение атомно-молекулярной теории. Закон стал весомым экспериментальным доказательством того, что в ходе химических реакций атомы не исчезают и не возникают из ничего, а лишь перегруппировываются, образуя новые молекулы. Это укрепило позиции атомно-молекулярного учения как основы химии.
• Фундамент стехиометрии. На законе сохранения массы базируются все количественные расчеты в химии (стехиометрия). Он позволяет вычислять массы, объемы или количества вещества реагентов или продуктов реакции, если известны аналогичные данные для одного из участников реакции.
• Превращение химии в точную науку. Благодаря этому закону химия окончательно перешла от качественного, описательного этапа своего развития к точной, количественной науке, способной не только объяснять, но и предсказывать результаты химических превращений.

Ответ: В химической науке закон сохранения массы является теоретической основой для составления химических уравнений и проведения любых количественных расчетов (стехиометрии), а также служит фундаментальным подтверждением атомно-молекулярной теории, согласно которой атомы в химических реакциях сохраняются, лишь перегруппировываясь.

В практической деятельности, особенно в промышленности и технологии, значение закона сохранения массы невозможно переоценить:

• Химическая промышленность. Любое химическое производство (синтез лекарств, полимеров, удобрений, топлива) основано на строгих расчетах. Закон сохранения массы позволяет точно рассчитать, сколько исходных веществ (сырья) необходимо взять для получения заданного количества продукта. Это помогает минимизировать отходы, снижать себестоимость продукции и повышать общую эффективность производства.
• Инженерные расчеты и материальные балансы. Инженеры-химики используют этот закон для проектирования реакторов и технологических линий. Они составляют материальные балансы процессов — детальные расчеты, отслеживающие потоки масс всех веществ, входящих в систему и выходящих из нее, что гарантирует стабильность и предсказуемость технологического процесса.
• Экология и охрана окружающей среды. Закон помогает количественно оценивать воздействие промышленности на окружающую среду. Например, зная массу сожженного ископаемого топлива, можно точно рассчитать массу выброшенных в атмосферу парниковых газов (например, $CO_2$) и других загрязняющих веществ. Это является основой для экологического мониторинга, нормирования выбросов и разработки природоохранных мероприятий.
• Лабораторная практика. В любой исследовательской или аналитической лаборатории закон используется для планирования экспериментов: расчета масс реагентов для синтеза, определения теоретического выхода продукта и последующей оценки практического выхода, что является показателем эффективности проведенной реакции.

Ответ: На практике закон сохранения массы является основой для всех технологических расчетов в химической промышленности, позволяя определять необходимое количество сырья для получения нужного объема продукции, оптимизировать производство и составлять материальные балансы. Также он незаменим в экологии для контроля и учета загрязняющих веществ.

2. Какой учёный предвидел единство закона сохранения массы и закона сохранения и превращения энергии?

Учёным, который предвидел и теоретически обосновал единство закона сохранения массы и закона сохранения и превращения энергии, является Альберт Эйнштейн. В рамках созданной им в 1905 году специальной теории относительности он установил фундаментальную взаимосвязь между массой и энергией.

Эта взаимосвязь выражается знаменитой формулой эквивалентности массы и энергии: $E = mc^2$, где $E$ – это полная энергия физического объекта, $m$ – его масса, а $c$ – скорость света в вакууме.

Данное уравнение показывает, что масса и энергия являются взаимосвязанными и взаимопревращаемыми. Классические законы сохранения массы (сформулированный М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье) и сохранения энергии, которые до Эйнштейна считались двумя независимыми фундаментальными законами природы, оказались частными случаями более общего закона сохранения массы-энергии. В релятивистской физике эти два закона объединяются в один: в изолированной системе полная масса-энергия сохраняется. Это означает, что изменение массы тела (${\Delta}m$) приводит к изменению его энергии (${\Delta}E$) на величину ${\Delta}E = {\Delta}mc^2$, и наоборот.

Ответ: Альберт Эйнштейн.

3. Вычислите объём оксида углерода(IV) (н. у.), выделившегося при прокаливании 1 кг мела, массовая доля примесей в котором равна 15 %.

Дано:

$m(мела) = 1 \text{ кг}$
$\omega(примесей) = 15 \%$

$m(мела) = 1000 \text{ г}$
$\omega(примесей) = 0.15$

Найти:

$V(CO_2)$ (н. у.) - ?

Решение:

1. Мел - это природный минерал, основной компонент которого карбонат кальция ($CaCO_3$). При прокаливании (термическом разложении) карбоната кальция образуются оксид кальция ($CaO$) и оксид углерода(IV) ($CO_2$). Запишем уравнение реакции:

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2 \uparrow$

2. В реакцию вступает только чистый карбонат кальция, примеси в реакции не участвуют. Сначала найдем массовую долю чистого $CaCO_3$ в образце мела:

$\omega(CaCO_3) = 100\% - \omega(примесей) = 100\% - 15\% = 85\%$ или $0.85$.

3. Теперь вычислим массу чистого карбоната кальция, содержащегося в 1 кг мела:

$m(CaCO_3) = m(мела) \cdot \omega(CaCO_3) = 1000 \text{ г} \cdot 0.85 = 850 \text{ г}$.

4. Для дальнейших расчетов найдем количество вещества ($n$) карбоната кальция. Для этого сначала вычислим его молярную массу ($M$):

$M(CaCO_3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3 \cdot Ar(O) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100 \text{ г/моль}$.

Теперь найдем количество вещества:

$n(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{M(CaCO_3)} = \frac{850 \text{ г}}{100 \text{ г/моль}} = 8.5 \text{ моль}$.

5. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $CaCO_3$ образуется 1 моль $CO_2$. Следовательно, количество вещества выделившегося оксида углерода(IV) равно количеству вещества разложившегося карбоната кальция:

$n(CO_2) = n(CaCO_3) = 8.5 \text{ моль}$.

6. Зная количество вещества газа, можно найти его объем при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа ($V_m$) при н. у. составляет 22,4 л/моль.

$V(CO_2) = n(CO_2) \cdot V_m = 8.5 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 190.4 \text{ л}$.

Ответ: объем выделившегося оксида углерода(IV) составляет 190,4 л.

4. Провели реакцию между 67,2 $m^3$ водорода и 44,8 $m^3$ азота (н. у.). Каким газом загрязнён полученный аммиак?

Дано:

Найти:

Газ, загрязняющий полученный аммиак - ?

Решение:

Для решения задачи необходимо определить, какой из исходных газов находится в избытке. Этот газ не прореагирует полностью и останется в смеси с продуктом реакции, аммиаком.

1. Запишем уравнение реакции синтеза аммиака:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Согласно уравнению реакции, стехиометрическое соотношение объемов азота и водорода составляет 1:3. Это следует из закона Авогадро, по которому при одинаковых условиях объемы газов относятся так же, как их количества веществ.

$\frac{V(N_2)}{V(H_2)} = \frac{1}{3}$

3. Проверим, в каком соотношении находятся объемы газов, данные в условии задачи, и определим, какой из них в избытке. Рассчитаем, какой объем азота теоретически необходим для полного взаимодействия с 67,2 м³ водорода:

$V(N_2)_{\text{теор.}} = \frac{1}{3} \times V(H_2) = \frac{1}{3} \times 67,2 \text{ м}^3 = 22,4 \text{ м}^3$

4. Сравним теоретически необходимый объем азота с фактически взятым объемом:

$V(N_2)_{\text{факт.}} = 44,8 \text{ м}^3$

Поскольку фактический объем азота ($44,8 \text{ м}^3$) больше, чем теоретически необходимый для реакции ($22,4 \text{ м}^3$), азот находится в избытке. Водород, соответственно, находится в недостатке и прореагирует полностью.

После завершения реакции в газовой смеси будет содержаться продукт реакции (аммиак) и избыток непрореагировавшего азота.

Ответ: полученный аммиак загрязнён азотом.

1. На основе закона сохранения массы веществ

1) составляют термохимические уравнения реакций

2) составляют химические формулы

3) определяют степень окисления

Решение
Закон сохранения массы веществ гласит, что масса реагентов, вступающих в химическую реакцию, равна массе продуктов реакции. Это означает, что в ходе реакции атомы не исчезают и не появляются из ниоткуда, а лишь перегруппировываются, образуя новые вещества. Следовательно, количество атомов каждого химического элемента должно быть одинаковым в левой (реагенты) и правой (продукты) частях химического уравнения.

Процесс установления равенства числа атомов каждого элемента в обеих частях уравнения называется уравниванием или балансировкой химического уравнения. Это достигается путем расстановки стехиометрических коэффициентов.

Рассмотрим предложенные варианты ответа:

1) составляют термохимические уравнения реакций. Термохимическое уравнение — это, прежде всего, сбалансированное химическое уравнение, в котором также указывается тепловой эффект реакции ($ \Delta H $). Составление любого уравнения реакции, включая термохимическое, невозможно без его уравнивания, которое напрямую основано на законе сохранения массы. Следовательно, этот вариант является верным.

2) составляют химические формулы. Химические формулы ($ H_2O $, $ C_2H_5OH $ и т.д.) составляют на основе закона постоянства состава вещества и правил валентности, а не на основе закона сохранения массы.

3) определяют степень окисления. Степень окисления — это условный заряд, который определяют по набору правил, основанных на значениях электроотрицательности атомов. Этот процесс не связан с законом сохранения массы.

Таким образом, именно закон сохранения массы веществ является теоретической основой для составления уравнений химических реакций, так как требует соблюдения баланса атомов.

Ответ: 1) составляют термохимические уравнения реакций.

2. Взаимосвязь массы и энергии удалось доказать

1) Р. Майеру

2) М. В. Ломоносову

3) А. Л. Лавуазье

4) А. Эйнштейну

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать научный вклад каждого из перечисленных ученых в области физики и химии.

Решение

1) Р. Майер. Юлиус Роберт фон Майер — немецкий физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии. Он установил эквивалентность теплоты и механической работы. Его труды относятся к термодинамике и не затрагивают взаимосвязь массы и энергии в том смысле, как она была сформулирована позже.

2) М. В. Ломоносов. Михаил Васильевич Ломоносов — великий русский ученый, который в середине XVIII века сформулировал закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Он утверждал, что масса реагентов равна массе продуктов, что является фундаментальным принципом химии, но не устанавливает связи между самой массой и энергией.

3) А. Л. Лавуазье. Антуан Лоран де Лавуазье — французский химик, который, независимо от Ломоносова, также сформулировал и экспериментально доказал закон сохранения массы. Его работы заложили основы современной химии, но, как и в случае с Ломоносовым, не касались эквивалентности массы и энергии.

4) А. Эйнштейн. Альберт Эйнштейн в 1905 году в рамках своей специальной теории относительности установил фундаментальную взаимосвязь между массой и энергией. Он вывел знаменитую формулу, которая является одним из самых известных уравнений в физике:$$E = mc^2$$где $E$ — это полная энергия объекта, $m$ — его масса, а $c$ — скорость света в вакууме. Эта формула теоретически доказывает, что масса является мерой содержания энергии в теле, и что масса и энергия могут превращаться друг в друга. Этот принцип лежит в основе всей ядерной физики и энергетики. Таким образом, именно Эйнштейну удалось доказать взаимосвязь массы и энергии.

Ответ: 4) А. Эйнштейну.