Страница 41 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что представляет собой химическая формула? Чем различаются индексы и коэффициенты?

Что представляет собой химическая формула?

Химическая формула — это условное изображение качественного и количественного состава вещества с помощью химических знаков (символов элементов) и подстрочных чисел (индексов). Она является универсальным языком химии, понятным во всём мире.

Химическая формула несёт в себе следующую информацию:

• Качественный состав: показывает, из атомов каких химических элементов состоит вещество. Например, формула серной кислоты $H_2SO_4$ говорит о том, что в её состав входят водород (H), сера (S) и кислород (O).
• Количественный состав: показывает, сколько атомов каждого элемента содержится в одной молекуле (для веществ молекулярного строения) или в одной формульной единице (для веществ немолекулярного строения). В той же формуле $H_2SO_4$ индексы показывают, что одна молекула содержит 2 атома водорода, 1 атом серы (индекс 1 не пишется) и 4 атома кислорода.

Таким образом, химическая формула — это краткая, но очень ёмкая запись, описывающая состав любого химического соединения.

Ответ: Химическая формула — это условная запись состава вещества с помощью символов химических элементов и индексов, которая показывает, из каких атомов и в каком количественном соотношении состоит данное вещество.

Чем различаются индексы и коэффициенты?

Хотя и индексы, и коэффициенты являются числами, используемыми в химических записях, они выполняют совершенно разные функции и имеют принципиальные отличия.

Индекс — это маленькое число, которое пишется справа внизу от символа химического элемента в формуле.

• Он указывает на количество атомов данного элемента в одной молекуле или формульной единице. Например, в формуле глюкозы $C_6H_{12}O_6$ индекс 6 у углерода (C) означает, что в одной молекуле глюкозы содержится 6 атомов углерода.
• Индекс является неотъемлемой частью химической формулы. Его нельзя произвольно менять при составлении уравнений реакций, так как изменение индекса означает изменение самого вещества (например, $H_2O$ — это вода, а $H_2O_2$ — это пероксид водорода, совершенно другое вещество с другими свойствами).

Коэффициент — это большое число, которое пишется перед всей химической формулой.

• Он указывает на количество отдельных частиц вещества (молекул, атомов, ионов), участвующих в химической реакции или просто рассматриваемых. Например, запись $2H_2O$ означает две отдельные молекулы воды.
• Коэффициент относится ко всем атомам в формуле, которая следует за ним. Так, в $2H_2O$ общее число атомов водорода равно $2 \times 2 = 4$, а кислорода — $2 \times 1 = 2$.
• Коэффициенты используются для уравнивания химических реакций, чтобы соблюсти закон сохранения массы. Их подбирают и изменяют в процессе балансировки уравнения.

Ответ: Индекс показывает число атомов элемента в одной молекуле (пишется справа внизу от символа) и является постоянной характеристикой вещества. Коэффициент показывает число отдельных молекул или формульных единиц (пишется перед формулой), относится ко всей молекуле и используется для уравнивания химических реакций.

2. Что называют относительной атомной массой и относительной молекулярной массой?

Относительная атомная масса

Это безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз средняя масса атома химического элемента (с учётом природного изотопного состава) больше 1/12 массы атома изотопа углерода-12 ($^{12}\text{С}$). Обозначается как $A_r$.

За эталон массы в атомном мире принята атомная единица массы (а. е. м.), которая равна 1/12 части массы атома углерода $^{12}\text{С}$.

$1 \text{ а. е. м.} = \frac{1}{12} m_a(^{12}\text{C}) \approx 1,66 \cdot 10^{-24} \text{ г}$

Таким образом, относительная атомная масса элемента (Э) вычисляется по формуле:

$A_r(\text{Э}) = \frac{m_a(\text{Э})}{1 \text{ а. е. м.}}$

где $m_a(\text{Э})$ — средняя абсолютная масса атома элемента.

Значения относительных атомных масс для всех химических элементов приведены в Периодической системе Д. И. Менделеева. В большинстве расчетов их значения округляют до целых чисел (исключение, например, хлор: $A_r(\text{Cl}) = 35,5$).

Ответ: Относительная атомная масса — это физическая величина, равная отношению средней массы атома химического элемента к 1/12 массы атома углерода-12. Это безразмерная величина, значения которой указаны в Периодической таблице.

Относительная молекулярная масса

Это безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода-12 ($^{12}\text{С}$). Обозначается как $M_r$.

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав его структурной единицы (молекулы, формульной единицы), с учётом их количества.

Для вещества с химической формулой $A_xB_yC_z$ относительная молекулярная масса рассчитывается следующим образом:

$M_r(A_xB_yC_z) = x \cdot A_r(A) + y \cdot A_r(B) + z \cdot A_r(C)$

где $x, y, z$ — индексы, показывающие число атомов каждого элемента.

Например, рассчитаем относительную молекулярную массу серной кислоты ($H_2SO_4$):

1. Находим в Периодической таблице относительные атомные массы элементов и округляем их: $A_r(\text{H}) \approx 1$; $A_r(\text{S}) \approx 32$; $A_r(\text{O}) \approx 16$.

2. Подставляем значения в формулу с учётом индексов (2 атома H, 1 атом S, 4 атома O): $M_r(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2 \cdot A_r(\text{H}) + 1 \cdot A_r(\text{S}) + 4 \cdot A_r(\text{O}) = 2 \cdot 1 + 1 \cdot 32 + 4 \cdot 16 = 2 + 32 + 64 = 98$.

Масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1/12 массы атома углерода-12.

Ответ: Относительная молекулярная масса — это величина, равная отношению массы молекулы (или формульной единицы) вещества к 1/12 массы атома углерода-12. Она рассчитывается как сумма относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав вещества, с учётом их числа.

3. Какую информацию несёт химическая формула?

Химическая формула — это условная запись состава вещества с помощью химических знаков и индексов. Она несёт в себе как качественную, так и количественную информацию о веществе.

Качественная информация

• Из каких химических элементов состоит вещество. Символы в формуле показывают, атомы каких элементов входят в состав данного вещества.

• Тип вещества. По составу можно определить, простое это вещество (состоит из атомов одного элемента, например, $O_2$, $Fe$) или сложное (состоит из атомов разных элементов, например, $H_2O$, $C_6H_{12}O_6$).

• Принадлежность к классу соединений. Часто формула может указывать на принадлежность вещества к определённому классу неорганических или органических соединений (например, наличие группы $-OH$ в формуле спирта, или $H$ на первом месте в формуле кислоты).

Количественная информация

• Количественный состав. Индексы в формуле показывают, сколько атомов каждого элемента содержится в одной молекуле (для веществ молекулярного строения) или в одной формульной единице (для веществ немолекулярного строения).

• Соотношение атомов. Формула показывает соотношение атомов разных элементов в веществе.

• Относительная молекулярная (или формульная) масса. Зная формулу, можно рассчитать относительную молекулярную массу ($M_r$) вещества как сумму относительных атомных масс ($A_r$) всех атомов, входящих в состав молекулы (или формульной единицы).

• Молярная масса. Численно молярная масса ($M$) вещества, выраженная в г/моль, равна его относительной молекулярной массе. Зная формулу, мы можем определить молярную массу.

• Массовые доли элементов. По химической формуле можно рассчитать массовую долю ($\omega$) каждого элемента в веществе.

Рассмотрим на примере серной кислоты ($H_2SO_4$)

Качественная информация:

• Это сложное вещество.

• Оно состоит из атомов трёх химических элементов: водорода ($H$), серы ($S$) и кислорода ($O$).

• Вещество относится к классу кислот.

Количественная информация:

• Одна молекула серной кислоты содержит 2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода.

• Соотношение атомов $H:S:O$ в веществе составляет $2:1:4$.

• Относительная молекулярная масса: $M_r(H_2SO_4) = 2 \cdot A_r(H) + A_r(S) + 4 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98$.

• Молярная масса: $M(H_2SO_4) = 98$ г/моль. Это означает, что 1 моль серной кислоты имеет массу 98 граммов.

• Массовые доли элементов:

- Массовая доля водорода: $\omega(H) = \frac{2 \cdot A_r(H)}{M_r(H_2SO_4)} = \frac{2 \cdot 1}{98} \approx 0.0204$ или $2.04\%$.

- Массовая доля серы: $\omega(S) = \frac{A_r(S)}{M_r(H_2SO_4)} = \frac{32}{98} \approx 0.3265$ или $32.65\%$.

- Массовая доля кислорода: $\omega(O) = \frac{4 \cdot A_r(O)}{M_r(H_2SO_4)} = \frac{4 \cdot 16}{98} \approx 0.6531$ или $65.31\%$.

Ответ:

Химическая формула несёт следующую информацию о веществе:

• Качественный состав: из каких химических элементов состоит вещество и является ли оно простым или сложным.

• Количественный состав: сколько атомов каждого элемента содержится в одной молекуле (или формульной единице) и каково их соотношение.

• Расчетные данные: формула позволяет рассчитать относительную молекулярную (формульную) массу, молярную массу и массовые доли элементов в веществе.

4. Составьте химическую формулу сахарозы, зная, что в состав её молекулы входят 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода. Рассчитайте относительную молекулярную массу этого вещества и массовые доли образующих его элементов.

Дано:

Состав молекулы сахарозы:
Число атомов углерода (C) = 12
Число атомов водорода (H) = 22
Число атомов кислорода (O) = 11

Найти:

1. Химическую формулу сахарозы.
2. $M_r$ (сахарозы) - относительную молекулярную массу.
3. $\omega$(C), $\omega$(H), $\omega$(O) - массовые доли элементов.

Решение:

Составление химической формулы сахарозы
Химическая формула вещества отражает его качественный и количественный состав. Зная, что в состав молекулы сахарозы входят 12 атомов углерода (C), 22 атома водорода (H) и 11 атомов кислорода (O), записываем её формулу, указывая число атомов каждого элемента в виде нижнего индекса.

Ответ: Химическая формула сахарозы — C₁₂H₂₂O₁₁.

Расчет относительной молекулярной массы этого вещества
Относительная молекулярная масса ($M_r$) вещества — это сумма относительных атомных масс ($A_r$) всех атомов, входящих в состав молекулы. Для расчета используем округленные значения относительных атомных масс из Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева:
$A_r(\text{C}) = 12$
$A_r(\text{H}) = 1$
$A_r(\text{O}) = 16$
Формула для расчета: $M_r(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}) = 12 \cdot A_r(\text{C}) + 22 \cdot A_r(\text{H}) + 11 \cdot A_r(\text{O})$
Подставляем значения: $M_r(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}) = 12 \cdot 12 + 22 \cdot 1 + 11 \cdot 16 = 144 + 22 + 176 = 342$.

Ответ: Относительная молекулярная масса сахарозы равна 342.

Расчет массовых долей образующих его элементов
Массовая доля элемента ($\omega$) в соединении вычисляется по формуле: $\omega(\text{элемента}) = \frac{n \cdot A_r(\text{элемента})}{M_r(\text{вещества})} \cdot 100\%$, где $n$ — число атомов элемента в молекуле.
Массовая доля углерода (C):
$\omega(\text{C}) = \frac{12 \cdot 12}{342} \cdot 100\% = \frac{144}{342} \cdot 100\% \approx 42,11\%$
Массовая доля водорода (H):
$\omega(\text{H}) = \frac{22 \cdot 1}{342} \cdot 100\% = \frac{22}{342} \cdot 100\% \approx 6,43\%$
Массовая доля кислорода (O):
$\omega(\text{O}) = \frac{11 \cdot 16}{342} \cdot 100\% = \frac{176}{342} \cdot 100\% \approx 51,46\%$

Ответ: Массовые доли элементов в сахарозе: $\omega(\text{C}) \approx 42,11\%$; $\omega(\text{H}) \approx 6,43\%$; $\omega(\text{O}) \approx 51,46\%$.

5. Рассчитайте относительные молекулярные массы веществ, формулы которых:

$H_2S$, $SO_3$, $Na_2CO_3$, $Cu(OH)_2$, $P_2O_5$, $AlCl_3$, $Ba(NO_3)_2$.

Для решения данной задачи необходимо рассчитать относительные молекулярные массы ($M_r$) для каждого из указанных веществ. Относительная молекулярная масса представляет собой сумму относительных атомных масс ($A_r$) всех атомов, входящих в состав формульной единицы вещества, с учетом их количества.

Химические формулы веществ: $H_2S, SO_3, Na_2CO_3, Cu(OH)_2, P_2O_5, AlCl_3, Ba(NO_3)_2$.

Относительные атомные массы ($A_r$) элементов (округленные значения из Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева):

• $A_r(H) = 1$
• $A_r(S) = 32$
• $A_r(O) = 16$
• $A_r(Na) = 23$
• $A_r(C) = 12$
• $A_r(Cu) = 64$
• $A_r(P) = 31$
• $A_r(Al) = 27$
• $A_r(Cl) = 35.5$
• $A_r(Ba) = 137$
• $A_r(N) = 14$

Относительные молекулярные массы ($M_r$) указанных веществ.

H₂S

Молекула сероводорода состоит из двух атомов водорода ($H$) и одного атома серы ($S$).

$M_r(H_2S) = 2 \cdot A_r(H) + 1 \cdot A_r(S) = 2 \cdot 1 + 32 = 34$

Ответ: $M_r(H_2S) = 34$.

SO₃

Молекула оксида серы(VI) состоит из одного атома серы ($S$) и трёх атомов кислорода ($O$).

$M_r(SO_3) = 1 \cdot A_r(S) + 3 \cdot A_r(O) = 32 + 3 \cdot 16 = 32 + 48 = 80$

Ответ: $M_r(SO_3) = 80$.

Na₂CO₃

Формульная единица карбоната натрия состоит из двух атомов натрия ($Na$), одного атома углерода ($C$) и трёх атомов кислорода ($O$).

$M_r(Na_2CO_3) = 2 \cdot A_r(Na) + 1 \cdot A_r(C) + 3 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 46 + 12 + 48 = 106$

Ответ: $M_r(Na_2CO_3) = 106$.

Cu(OH)₂

Формульная единица гидроксида меди(II) состоит из одного атома меди ($Cu$), двух атомов кислорода ($O$) и двух атомов водорода ($H$).

$M_r(Cu(OH)_2) = 1 \cdot A_r(Cu) + 2 \cdot (A_r(O) + A_r(H)) = 64 + 2 \cdot (16 + 1) = 64 + 2 \cdot 17 = 98$

Ответ: $M_r(Cu(OH)_2) = 98$.

P₂O₅

Молекула оксида фосфора(V) состоит из двух атомов фосфора ($P$) и пяти атомов кислорода ($O$).

$M_r(P_2O_5) = 2 \cdot A_r(P) + 5 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 62 + 80 = 142$

Ответ: $M_r(P_2O_5) = 142$.

AlCl₃

Формульная единица хлорида алюминия состоит из одного атома алюминия ($Al$) и трёх атомов хлора ($Cl$).

$M_r(AlCl_3) = 1 \cdot A_r(Al) + 3 \cdot A_r(Cl) = 27 + 3 \cdot 35.5 = 27 + 106.5 = 133.5$

Ответ: $M_r(AlCl_3) = 133.5$.

Ba(NO₃)₂

Формульная единица нитрата бария состоит из одного атома бария ($Ba$), двух атомов азота ($N$) и шести атомов кислорода ($O$).

$M_r(Ba(NO_3)_2) = 1 \cdot A_r(Ba) + 2 \cdot (A_r(N) + 3 \cdot A_r(O)) = 137 + 2 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 137 + 2 \cdot (14 + 48) = 137 + 2 \cdot 62 = 261$

Ответ: $M_r(Ba(NO_3)_2) = 261$.

Б. Укажите формулы веществ, имеющих одинаковые относительные молекулярные массы: $CO_2$, $N_2$, $CH_2Cl_2$, $NO$, $CO$, $C_2H_4$, $H_2S$, $O_2$.

Дано:

Список веществ: $CO_2$, $N_2$, $CH_2Cl_2$, $NO$, $CO$, $C_2H_4$, $H_2S$, $O_2$.
Относительные атомные массы элементов (округленные):
$Ar(C) = 12$
$Ar(O) = 16$
$Ar(N) = 14$
$Ar(H) = 1$
$Ar(Cl) = 35,5$
$Ar(S) = 32$

Найти:

Формулы веществ с одинаковыми относительными молекулярными массами.

Решение:

Относительная молекулярная масса ($Mr$) вещества рассчитывается как сумма относительных атомных масс ($Ar$) всех атомов, входящих в состав молекулы.

Рассчитаем относительные молекулярные массы для каждого вещества из списка:

• Для диоксида углерода ($CO_2$):
  $Mr(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 12 + 32 = 44$
• Для азота ($N_2$):
  $Mr(N_2) = 2 \cdot Ar(N) = 2 \cdot 14 = 28$
• Для дихлорметана ($CH_2Cl_2$):
  $Mr(CH_2Cl_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(H) + 2 \cdot Ar(Cl) = 12 + 2 \cdot 1 + 2 \cdot 35,5 = 12 + 2 + 71 = 85$
• Для оксида азота(II) ($NO$):
  $Mr(NO) = Ar(N) + Ar(O) = 14 + 16 = 30$
• Для оксида углерода(II) ($CO$):
  $Mr(CO) = Ar(C) + Ar(O) = 12 + 16 = 28$
• Для этена ($C_2H_4$):
  $Mr(C_2H_4) = 2 \cdot Ar(C) + 4 \cdot Ar(H) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 24 + 4 = 28$
• Для сероводорода ($H_2S$):
  $Mr(H_2S) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(S) = 2 \cdot 1 + 32 = 34$
• Для кислорода ($O_2$):
  $Mr(O_2) = 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 16 = 32$

Сравнив полученные значения, мы видим, что одинаковую относительную молекулярную массу, равную 28, имеют три вещества: азот ($N_2$), оксид углерода(II) ($CO$) и этен ($C_2H_4$).

Ответ: $N_2$, $CO$, $C_2H_4$.