Страница 72 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

4. Оксид некоторого химического элемента имеет формулу $Э_2О_3$, массовая доля кислорода в нём составляет 63.2 %. Определите этот химический элемент.

Дано:

Формула оксида: Э₂О₃

Массовая доля кислорода в оксиде: $\omega(O) = 63.2\% = 0.632$

Найти:

Неизвестный химический элемент Э.

Решение:

Массовая доля элемента в химическом соединении вычисляется по формуле:

$\omega(элемента) = \frac{n \cdot Ar(элемента)}{Mr(соединения)} \cdot 100\%$

где n – число атомов данного элемента в формуле соединения, Ar(элемента) – относительная атомная масса элемента, а Mr(соединения) – относительная молекулярная масса всего соединения.

Для оксида с общей формулой Э₂О₃ относительная молекулярная масса равна:

$Mr(Э_2O_3) = 2 \cdot Ar(Э) + 3 \cdot Ar(O)$

Обозначим относительную атомную массу неизвестного элемента Э как x. Относительная атомная масса кислорода $Ar(O)$ равна 16.

Тогда $Mr(Э_2O_3) = 2x + 3 \cdot 16 = 2x + 48$.

Массовая доля кислорода в этом оксиде составляет 63,2%, или 0,632 в долях единицы. Составим уравнение, используя формулу массовой доли для кислорода:

$\omega(O) = \frac{3 \cdot Ar(O)}{Mr(Э_2O_3)} = \frac{3 \cdot 16}{2x + 48}$

$0.632 = \frac{48}{2x + 48}$

Теперь решим это уравнение относительно x, чтобы найти атомную массу элемента Э:

$0.632 \cdot (2x + 48) = 48$

$1.264x + 0.632 \cdot 48 = 48$

$1.264x + 30.336 = 48$

$1.264x = 48 - 30.336$

$1.264x = 17.664$

$x = \frac{17.664}{1.264}$

$x \approx 14$

Относительная атомная масса неизвестного элемента Э равна 14. Согласно периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, элемент с такой атомной массой — это Азот (N).

Проверим: для оксида азота(III) N₂O₃, молекулярная масса $Mr(N_2O_3) = 2 \cdot 14 + 3 \cdot 16 = 28 + 48 = 76$. Массовая доля кислорода в нем будет равна $\omega(O) = \frac{3 \cdot 16}{76} \approx 0.6316$, что в процентах составляет $63.16\% \approx 63.2\%$.

Ответ: искомый химический элемент – Азот (N).

5. В природе встречаются оксид меди(II) (минерал тенорит) и оксид меди(I) (минерал куприт). Какая масса тенорита содержит столько же меди, сколько 160 г куприта?

Дано:

Масса куприта ($Cu_2O$) - $m(Cu_2O) = 160 \text{ г}$

Найти:

Массу тенорита ($CuO$) - $m(CuO)$

Решение:

1. Запишем химические формулы минералов:

• Тенорит — оксид меди(II), формула: $CuO$
• Куприт — оксид меди(I), формула: $Cu_2O$

2. Рассчитаем молярные массы этих соединений, используя округленные относительные атомные массы: $Ar(Cu) = 64$ и $Ar(O) = 16$.

Молярная масса куприта ($Cu_2O$):
$M(Cu_2O) = 2 \cdot Ar(Cu) + Ar(O) = 2 \cdot 64 + 16 = 144$ г/моль.

Молярная масса тенорита ($CuO$):
$M(CuO) = Ar(Cu) + Ar(O) = 64 + 16 = 80$ г/моль.

3. Найдем массу меди, которая содержится в 160 г куприта. Для этого сначала вычислим количество вещества (число молей) куприта:

$n(Cu_2O) = \frac{m(Cu_2O)}{M(Cu_2O)} = \frac{160 \text{ г}}{144 \text{ г/моль}} = \frac{10}{9}$ моль.

Согласно формуле $Cu_2O$, в 1 моль куприта содержится 2 моль атомов меди. Следовательно, количество вещества меди:

$n(Cu) = 2 \cdot n(Cu_2O) = 2 \cdot \frac{10}{9} = \frac{20}{9}$ моль.

Масса этого количества меди равна:

$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = \frac{20}{9} \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = \frac{1280}{9}$ г.

4. Теперь найдем массу тенорита ($CuO$), которая содержит такое же количество меди. Согласно формуле $CuO$, в 1 моль тенорита содержится 1 моль атомов меди. Значит, нам потребуется такое же количество вещества тенорита, как и меди:

$n(CuO) = n(Cu) = \frac{20}{9}$ моль.

Рассчитаем массу этого количества тенорита:

$m(CuO) = n(CuO) \cdot M(CuO) = \frac{20}{9} \text{ моль} \cdot 80 \text{ г/моль} = \frac{1600}{9} \text{ г} \approx 177.8$ г.

Ответ: масса тенорита, содержащая столько же меди, сколько 160 г куприта, составляет примерно 177.8 г.

б. Используя ресурсы Интернета, найдите все возможные названия веществ, формулы которых: $H_2O$, $CO_2$, $SiO_2$. У какого вещества больше названий? Подготовьте сообщение об одном из этих оксидов.

Названия веществ H₂O, CO₂, SiO₂ и сравнение их количества

Ниже представлены различные названия для указанных веществ, найденные с использованием интернет-ресурсов.

1. Названия для $H_2O$:

• Вода — тривиальное (бытовое) название, наиболее употребимое.
• Оксид водорода — систематическое название по международной номенклатуре.
• Оксидан — название по номенклатуре ИЮПАК.
• Дигидромонооксид — ещё один вариант систематического названия.
• Гидроксид водорода или гидроксильная кислота — названия, отражающие способность воды к диссоциации на $H^+$ и $OH^-$.
• Названия для разных агрегатных состояний: лёд (твёрдое), водяной пар (газообразное).

2. Названия для $CO_2$:

• Диоксид углерода или оксид углерода(IV) — систематические названия.
• Углекислый газ — тривиальное, широко распространённое название.
• Двуокись углерода — синоним диоксида углерода.
• Угольный ангидрид — название, указывающее на то, что это ангидрид угольной кислоты ($H_2CO_3$).
• Сухой лёд — название твёрдой фазы $CO_2$.
• Пищевая добавка E290 — используется как консервант и газ для напитков.

3. Названия для $SiO_2$:

• Диоксид кремния или оксид кремния(IV) — систематические названия.
• Кремнезём — общее минералогическое название.
• Природные кристаллические формы: кварц (самая распространённая), кристобалит, тридимит.
• Многочисленные разновидности кварца, являющиеся полудрагоценными камнями: горный хрусталь, аметист, цитрин, раухтопаз, морион.
• Скрытокристаллические (криптокристаллические) разновидности: халцедон и его виды (агат, оникс, сердолик).
• Природные осадочные породы: песок (кварцевый песок), кремень, диатомит (кизельгур), трепел.
• Аморфные (некристаллические) формы: опал (природный), кварцевое стекло (искусственное), силикагель и аэросил (синтетические).
• Пищевая добавка E551 — используется как агент, предотвращающий слёживание.

При сравнении приведённых списков становится очевидно, что наибольшим разнообразием названий обладает диоксид кремния ($SiO_2$). Это обусловлено его колоссальным распространением в земной коре и существованием в виде множества различных минералов, горных пород, а также синтетических форм, каждая из которых имеет своё устоявшееся название.

Ответ: Наибольшее количество названий имеет диоксид кремния ($SiO_2$).

Сообщение об оксиде водорода ($H_2O$)

Оксид водорода, более известный как вода, — это химическое соединение с формулой $H_2O$. Это самое распространенное вещество на Земле и одно из ключевых для существования всех известных форм жизни.

Физические свойства: В стандартных условиях вода представляет собой прозрачную жидкость без вкуса и запаха. Уникальность воды заключается в её свойствах, обусловленных наличием водородных связей между молекулами. Благодаря им у воды аномально высокие температуры кипения ($100°C$) и плавления ($0°C$) для вещества с такой низкой молярной массой. Также вода обладает высоким поверхностным натяжением и является отличным растворителем для полярных веществ, за что её называют «универсальным растворителем». Важной аномалией является то, что плотность льда ниже плотности жидкой воды, поэтому лёд плавает на её поверхности.

Химические свойства: Вода является амфотерным оксидом, то есть может проявлять свойства как кислоты, так и основания. Она реагирует с активными металлами (например, натрием) с выделением водорода, с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, образуя основания (щёлочи), и с большинством оксидов неметаллов (кислотными оксидами), образуя кислоты. Вода участвует в реакциях гидролиза многих органических и неорганических веществ.

Значение в природе и для человека: Вода — неотъемлемый компонент всех живых организмов, она участвует в обмене веществ, терморегуляции и транспортировке веществ. На планете вода играет важнейшую роль в формировании климата и рельефа. Круговорот воды в природе обеспечивает перераспределение тепла и влаги по земной поверхности. Человек использует воду не только для питья и бытовых нужд, но и в сельском хозяйстве, промышленности и как источник энергии (гидроэлектростанции).

Таким образом, оксид водорода — это уникальное и жизненно необходимое вещество, основа биосферы Земли.

Ответ: Подготовлено сообщение об оксиде водорода ($H_2O$).

Водород — самый лёгкий газ. Предложите способ его собирания в сосуд и распознавания на основе анализа названия этого вещества.

Способ его собирания в сосуд

Водород ($H_2$) является самым лёгким газом, его плотность значительно меньше плотности воздуха (примерно в 14,5 раз). Это его фундаментальное свойство используется для его сбора в лабораторных условиях.

Способ вытеснения воздуха. Поскольку водород легче воздуха, он всегда стремится вверх. Чтобы собрать его, сосуд-приёмник (например, пробирку или колбу) необходимо перевернуть вверх дном. Затем в перевёрнутый сосуд вводят газоотводную трубку, по которой подаётся водород, доводя её почти до самого дна (которое теперь находится вверху). Лёгкий водород будет скапливаться в верхней части сосуда, постепенно вытесняя более тяжёлый воздух, который выходит из сосуда снизу.

Способ вытеснения воды. Этот метод также широко применяется, так как водород практически нерастворим в воде. Для этого сосуд-приёмник полностью заполняют водой, закрывают и в перевёрнутом виде помещают в больший сосуд с водой (кристаллизатор). Газоотводную трубку подводят под горлышко сосуда-приёмника, и выделяющийся водород, поднимаясь в виде пузырьков, скапливается вверху, вытесняя из него воду.

Ответ: Так как водород — самый лёгкий газ, его можно собрать методом вытеснения воздуха, расположив сосуд-приёмник вверх дном. Водород поднимется и заполнит сосуд, вытеснив из него более тяжёлый воздух. Также водород можно собрать методом вытеснения воды, поскольку он в ней практически нерастворим.

Способ распознавания на основе анализа названия этого вещества

Анализ названия "водород" даёт прямую подсказку для его распознавания. Слово состоит из двух корней: "вод-" (от "вода") и "-род" (от "рождать"). Таким образом, "водород" — это "рождающий воду".

Это название указывает на важнейшее химическое свойство водорода: способность образовывать воду при реакции с кислородом, то есть при горении. Эта реакция является качественной (характерной) для определения водорода.

Для распознавания водорода собранный в пробирку газ подносят к источнику огня (например, к горящей спичке или лучинке). Если в пробирке находится смесь водорода и воздуха (кислорода), то произойдёт небольшая реакция-взрыв, сопровождающаяся характерным резким хлопком или "лающим" звуком. Этот звук — результат быстрого сгорания водорода. При этом на холодных стенках пробирки образуются капельки воды, что и подтверждает название "водород".

Уравнение реакции горения водорода:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Ответ: Название "водород" означает "рождающий воду". Для его распознавания необходимо поджечь газ. Смесь водорода с воздухом сгорает с характерным хлопком ("лающим звуком"), а продуктом реакции является вода, что и соответствует названию вещества.

Лабораторный опыт 13

Соберите прибор для получения газов, проверьте его герметичность. В пробирку поместите 1—2 гранулы цинка и добавьте 2 мл соляной кислоты. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Что наблюдаете? На конец газоотводной трубки, обращённой вверх, наденьте пустую пробирку. Через 1—2 минуты поднимите её и, не переворачивая, поднесите к пламени спиртовки. Что наблюдаете? Что можно сказать о чистоте собранного водорода? Запишите уравнения реакций.

Водород распознают по характерному хлопку при поджигании (рис. 55). Если водород достаточно чистый, хлопок глухой, если водород загрязнён примесью воздуха, раздаётся хлопок-взрыв с характерным «лающим» звуком. Проводить такой эксперимент можно только с небольшим объёмом водорода. Смесь водорода с кислородом в соотношении 2 : 1 или с воздухом в соотношении 2 : 5 при взрыве обладает огромной разрушительной силой, поэтому называется «гремучий газ».

Химические свойства водорода.

1. Взаимодействие водорода с кислородом сопровождается выделением большого количества теплоты, а значит, водород может использоваться в качестве топлива:

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 = 2\text{H}_2\text{O}$$

Реакция горения лежит в основе водородной резки и сварки металлов (рис. 56).

2. Водород взаимодействует с неметаллами, например с серой, образуя ядовитый газ с запахом тухлых яиц — сероводород:

$$\text{H}_2 + \text{S} \stackrel{t}{=} \text{H}_2\text{S}\uparrow$$

3. Водород способен восстанавливать металлы из их оксидов, например:

$$\text{H}_2 + \text{CuO} \stackrel{t}{=} \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$$

Применение водорода. Водород — важнейшее химическое вещество, имеющее большое практическое значение. Он эффективное ракетное топливо, а в перспективе и автомобильное. Водород применяют для получения соляной кислоты, аммиака, газовой резки и сварки металлов, для получения чистых металлов.

В ходе выполнения лабораторного опыта происходят следующие наблюдения и процессы:

Что наблюдаете? (после добавления соляной кислоты к цинку)

При добавлении 2 мл соляной кислоты ($HCl$) к 1-2 гранулам цинка ($Zn$) в пробирке начинается бурная химическая реакция. Наблюдается интенсивное выделение пузырьков бесцветного газа с поверхности металла. Этот выделяющийся газ — водород ($H_2$). Пробирка, в которой протекает реакция, может нагреваться, что свидетельствует об экзотермическом характере процесса (реакция идет с выделением тепла).
Ответ: Наблюдается выделение пузырьков газа и нагревание пробирки.

Что наблюдаете? (при поднесении пробирки с водородом к пламени)

Когда пробирку с собранным газом подносят к пламени спиртовки, раздается громкий звук. Поскольку водород собирался методом вытеснения воздуха, в пробирке образовалась его смесь с воздухом (который содержит около 21% кислорода). Такая смесь водорода и кислорода взрывоопасна и называется "гремучий газ". При поджигании этой смеси происходит микровзрыв, который сопровождается характерным резким, "лающим" хлопком.
Ответ: Раздается громкий "лающий" хлопок.

Что можно сказать о чистоте собранного водорода?

Резкий, "лающий" хлопок является качественным признаком того, что собранный водород нечистый и смешан с воздухом. Согласно информации из учебника, чистый водород горит спокойно или с глухим хлопком. Громкий звук взрыва указывает на наличие "гремучей смеси". Для получения чистого водорода необходимо некоторое время выпускать газ из газоотводной трубки, чтобы он вытеснил весь воздух из прибора, и только потом начинать сбор в пробирку.
Ответ: Собранный водород является нечистым, так как он смешан с воздухом, образуя "гремучий газ".

Запишите уравнения реакций

В ходе опыта протекают две химические реакции:
1. Получение водорода в результате реакции замещения между цинком и соляной кислотой:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
2. Горение водорода в кислороде воздуха (реакция, вызывающая хлопок):
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$
Ответ: Уравнения реакций: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$ (получение водорода) и $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ (горение водорода).