Страница 89 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. Какой объём водорода (н. у.) потребуется для реакции замещения с 480 кг оксида железа(III) $Fe_2O_3$? Какое количество вещества воды образуется при этом? Учтите, что в условии масса вещества дана в килограммах, следовательно, расчёт количества вещества ведите в киломолях, а объём рассчитывайте в кубических метрах.

Дано:

Найти:

$V(H_2) - ?$

$n(H_2O) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции восстановления оксида железа(III) водородом. Это реакция замещения, в результате которой образуется железо и вода:

$Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O$

2. Рассчитаем молярную массу оксида железа(III) ($Fe_2O_3$). Поскольку в условии задачи масса дана в килограммах, а расчеты требуется вести в киломолях и кубических метрах, будем использовать молярную массу в единицах кг/кмоль.

Относительные атомные массы элементов: $Ar(Fe) \approx 56$, $Ar(O) \approx 16$.

Молярная масса $Fe_2O_3$:

$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot M(Fe) + 3 \cdot M(O) = 2 \cdot 56 \frac{\text{кг}}{\text{кмоль}} + 3 \cdot 16 \frac{\text{кг}}{\text{кмоль}} = 112 + 48 = 160 \frac{\text{кг}}{\text{кмоль}}$.

3. Найдем количество вещества (в киломолях) оксида железа(III) в 480 кг:

$n(Fe_2O_3) = \frac{m(Fe_2O_3)}{M(Fe_2O_3)} = \frac{480 \text{ кг}}{160 \text{ кг/кмоль}} = 3 \text{ кмоль}$.

4. По уравнению реакции определим количество вещества водорода ($H_2$), необходимого для реакции, и количество вещества воды ($H_2O$), образующейся в результате.

Из уравнения реакции видно, что стехиометрические коэффициенты соотносятся как:

$n(Fe_2O_3) : n(H_2) : n(H_2O) = 1 : 3 : 3$.

Следовательно, количество вещества водорода:

$n(H_2) = 3 \cdot n(Fe_2O_3) = 3 \cdot 3 \text{ кмоль} = 9 \text{ кмоль}$.

Количество вещества воды:

$n(H_2O) = 3 \cdot n(Fe_2O_3) = 3 \cdot 3 \text{ кмоль} = 9 \text{ кмоль}$.

5. Рассчитаем объем водорода ($H_2$) при нормальных условиях (н. у.).

Молярный объем любого газа при н. у. ($V_m$) равен $22,4 \text{ л/моль}$ или $22,4 \text{ м}^3/\text{кмоль}$.

Объем водорода:

$V(H_2) = n(H_2) \cdot V_m = 9 \text{ кмоль} \cdot 22,4 \frac{\text{м}^3}{\text{кмоль}} = 201,6 \text{ м}^3$.

Ответ: для реакции потребуется $201,6 \text{ м}^3$ водорода; при этом образуется $9 \text{ кмоль}$ воды.

4. Не производя письменных вычислений, укажите, какой объём углекислого газа и какое количество вещества негашёной извести CaO образуется при обжиге 2 моль карбоната кальция. Уравнение реакции:

$CaCO_3 \overset{t}{=} CaO + CO_2 \uparrow$

Дано:

Количество вещества карбоната кальция, $n(CaCO_3) = 2$ моль.
Уравнение реакции: $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

Найти:

Объём углекислого газа, $V(CO_2)$ - ?
Количество вещества оксида кальция, $n(CaO)$ - ?

Решение:

Задачу можно решить, проанализировав уравнение химической реакции. Уравнение термического разложения карбоната кальция выглядит следующим образом: $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

Из уравнения видно, что стехиометрические коэффициенты перед всеми веществами равны 1. Это означает, что при разложении 1 моль карбоната кальция ($CaCO_3$) образуется 1 моль оксида кальция ($CaO$) и 1 моль углекислого газа ($CO_2$). Таким образом, соотношение количеств веществ реагента и продуктов составляет: $n(CaCO_3) : n(CaO) : n(CO_2) = 1 : 1 : 1$

По условию, для реакции взяли 2 моль карбоната кальция. Исходя из стехиометрического соотношения, количество вещества образовавшегося оксида кальция (негашёной извести) будет равно количеству вещества исходного карбоната кальция: $n(CaO) = n(CaCO_3) = 2$ моль.

Аналогично, количество вещества углекислого газа также равно 2 моль: $n(CO_2) = n(CaCO_3) = 2$ моль.

Для нахождения объёма углекислого газа воспользуемся понятием молярного объёма газа. При нормальных условиях (н.у.) молярный объём любого газа составляет $V_m = 22,4$ л/моль. Объём газа рассчитывается по формуле: $V = n \times V_m$

Подставим значение количества вещества $CO_2$: $V(CO_2) = 2 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 44,8$ л.

Ответ: образуется 44,8 л углекислого газа (при н.у.) и 2 моль негашёной извести CaO.

5. При изучении § 10 вы выполняли лабораторный опыт по взаимодействию раствора едкого натра и серной кислоты. Придумайте и решите задачу, в условии которой дано количество вещества едкого натра, а требуется найти массу серной кислоты, вступившей в реакцию.

Придумаем и решим задачу согласно условию.
Условие задачи: Какая масса серной кислоты потребуется для полной нейтрализации 0,5 моль гидроксида натрия (едкого натра)?

Дано:
Количество вещества гидроксида натрия: $n(NaOH) = 0.5 \text{ моль}$

Найти:
Массу серной кислоты: $m(H_2SO_4) - ?$

Решение:
1. Запишем уравнение реакции нейтрализации гидроксида натрия серной кислотой:
$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
Из уравнения реакции видно, что на 2 моль гидроксида натрия приходится 1 моль серной кислоты. Соотношение количеств веществ равно:
$\frac{n(NaOH)}{2} = \frac{n(H_2SO_4)}{1}$

2. Найдем количество вещества серной кислоты, которое вступит в реакцию с 0,5 моль гидроксида натрия:
$n(H_2SO_4) = \frac{1}{2} n(NaOH) = \frac{1}{2} \times 0.5 \text{ моль} = 0.25 \text{ моль}$

3. Рассчитаем молярную массу серной кислоты ($H_2SO_4$):
Для этого воспользуемся периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева. Относительные атомные массы элементов (округленно): $Ar(H) = 1$, $Ar(S) = 32$, $Ar(O) = 16$.
$M(H_2SO_4) = 2 \times Ar(H) + Ar(S) + 4 \times Ar(O) = 2 \times 1 + 32 + 4 \times 16 = 2 + 32 + 64 = 98 \text{ г/моль}$

4. Найдем массу серной кислоты, зная ее количество вещества и молярную массу, по формуле $m = n \times M$:
$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \times M(H_2SO_4) = 0.25 \text{ моль} \times 98 \text{ г/моль} = 24.5 \text{ г}$

Ответ: для полной нейтрализации 0,5 моль гидроксида натрия потребуется 24,5 г серной кислоты.

6. При изучении § 10 вы выполняли лабораторный опыт по взаимодействию растворов едкого натра и сульфата железа(III). Придумайте и решите задачу, в условии которой дана масса едкого натра, а требуется найти массу прореагировавшего с ним сульфата железа(III).

Составим и решим задачу в соответствии с предложенным условием.

Задача: Вычислите массу сульфата железа(III), которая потребуется для полного взаимодействия с 12 г гидроксида натрия.

Дано:

$m(NaOH) = 12 \text{ г}$

Найти:

$m(Fe_2(SO_4)_3) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции обмена между гидроксидом натрия ($NaOH$) и сульфатом железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$). В результате реакции образуется осадок гидроксида железа(III) и растворимая соль сульфат натрия.

$6NaOH + Fe_2(SO_4)_3 = 2Fe(OH)_3\downarrow + 3Na_2SO_4$

2. Рассчитаем молярные массы ($M$) реагентов, используя периодическую таблицу химических элементов Д.И. Менделеева (атомные массы округляем до целых чисел):

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

$M(Fe_2(SO_4)_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot (32 + 4 \cdot 16) = 112 + 3 \cdot (32 + 64) = 112 + 288 = 400 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества гидроксида натрия ($n$) в 12 граммах:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{12 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0.3 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определим, какое количество вещества сульфата железа(III) прореагирует с 0.3 моль гидроксида натрия. Соотношение коэффициентов перед $NaOH$ и $Fe_2(SO_4)_3$ составляет 6:1. Следовательно, количество вещества сульфата железа(III) будет в 6 раз меньше:

$n(Fe_2(SO_4)_3) = \frac{n(NaOH)}{6} = \frac{0.3 \text{ моль}}{6} = 0.05 \text{ моль}$

5. Вычислим массу 0.05 моль сульфата железа(III):

$m(Fe_2(SO_4)_3) = n(Fe_2(SO_4)_3) \cdot M(Fe_2(SO_4)_3) = 0.05 \text{ моль} \cdot 400 \text{ г/моль} = 20 \text{ г}$

Ответ: масса прореагировавшего сульфата железа(III) составляет 20 г.

7. Придумайте и решите задачу на нахождение объёма кислорода (н. у.), выделившегося при каталитическом разложении пероксида водорода $H_2O_2$.

В соответствии с заданием, сначала необходимо придумать задачу на указанную тему, а затем подробно ее решить.

Условие задачи: Какой объём кислорода (измеренный при нормальных условиях) выделится в результате реакции каталитического разложения 136 г 5%-го раствора пероксида водорода ($H_2O_2$)?

Дано:

$m_{р-ра}(H_2O_2) = 136 \text{ г}$

$\omega(H_2O_2) = 5\% = 0.05$

Найти:

$V(O_2) - ?$

Решение:

1. Первым шагом запишем уравнение химической реакции. Каталитическое разложение пероксида водорода приводит к образованию воды и газообразного кислорода. В качестве катализатора часто применяют оксид марганца(IV) $MnO_2$.

$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow$

2. Далее рассчитаем массу чистого вещества пероксида водорода ($H_2O_2$), которая содержится в данном растворе. Для этого умножим массу раствора на массовую долю растворенного вещества.

$m(H_2O_2) = m_{р-ра}(H_2O_2) \cdot \omega(H_2O_2)$

$m(H_2O_2) = 136 \text{ г} \cdot 0.05 = 6.8 \text{ г}$

3. Теперь вычислим молярную массу пероксида водорода ($M$). Для этого сложим относительные атомные массы элементов, умноженные на их количество в молекуле (используем округленные значения из Периодической системы: $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$).

$M(H_2O_2) = 2 \cdot Ar(H) + 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 34 \text{ г/моль}$

4. Зная массу и молярную массу, найдем количество вещества ($n$) пероксида водорода, которое подверглось разложению.

$n(H_2O_2) = \frac{m(H_2O_2)}{M(H_2O_2)} = \frac{6.8 \text{ г}}{34 \text{ г/моль}} = 0.2 \text{ моль}$

5. Используя уравнение реакции, определим количество вещества выделившегося кислорода ($O_2$). По уравнению видно, что стехиометрическое соотношение между $H_2O_2$ и $O_2$ составляет 2:1. Это означает, что количество моль кислорода в два раза меньше, чем количество моль пероксида водорода.

$n(O_2) = \frac{1}{2} n(H_2O_2) = \frac{0.2 \text{ моль}}{2} = 0.1 \text{ моль}$

6. Наконец, рассчитаем объем кислорода при нормальных условиях (н. у.). По закону Авогадро, 1 моль любого газа при н. у. занимает объем, равный молярному объему $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$V(O_2) = n(O_2) \cdot V_m$

$V(O_2) = 0.1 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 2.24 \text{ л}$

Ответ: объём выделившегося кислорода при нормальных условиях составляет 2.24 л.

Гидросфера — водная оболочка Земли, которая включает в себя всю химически не связанную воду: жидкую, твёрдую, газообразную. Почему химически не связанную?

Почему химически не связанную?

Уточнение "химически не связанную" используется для того, чтобы четко определить, какая именно вода относится к гидросфере. На Земле вода существует не только в свободном состоянии (в виде отдельных молекул $H_2O$), но и в составе других химических соединений.

Химически связанная вода — это вода, атомы которой (водород и кислород) или целые молекулы воды входят в состав других веществ. Эту воду нельзя выделить простыми физическими способами (например, испарением или фильтрацией), так как для этого требуется химическая реакция. Такая вода не относится к гидросфере.

Примеры химически связанной воды:

• В минералах и горных породах: Многие минералы являются кристаллогидратами, то есть содержат в своей кристаллической решетке молекулы воды. Например, гипс имеет формулу $CaSO_4 \cdot 2H_2O$. Эта вода является частью литосферы (каменной оболочки Земли), а не гидросферы.
• В живых организмах: Атомы водорода и кислорода входят в состав всех органических молекул (белков, жиров, углеводов), из которых состоят живые существа. Например, в молекуле глюкозы $C_6H_{12}O_6$ есть атомы водорода и кислорода, но они не образуют молекулы воды. Эта "вода" — часть биосферы.

Химически не связанная (или свободная) вода — это вода, состоящая из молекул $H_2O$, которые не являются частью других, более сложных химических соединений. Именно эта вода образует океаны, моря, реки, озера, ледники, подземные воды и водяной пар в атмосфере. Она способна свободно перемещаться, менять свое агрегатное состояние (жидкое, твердое, газообразное) и участвовать в мировом круговороте воды.

Таким образом, определение гидросферы включает только свободную воду, чтобы отделить ее от воды, которая "заперта" в минералах литосферы и в органических веществах биосферы.

Ответ: Уточнение "химически не связанную" используется для того, чтобы отделить воду, входящую в состав гидросферы (свободную воду в океанах, реках, ледниках, атмосфере), от воды, которая является частью химических соединений в составе минералов (литосфера) и живых организмов (биосфера) и не участвует напрямую в глобальном круговороте воды.