Страница 93 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

3. Массовая доля металла M в основании, формула которого $M(OH)_2$, равна 80,1 %. Определите, что это за металл.

Дано:

Соединение: $M(OH)_2$

Массовая доля металла M, $\omega(M) = 80,1 \% = 0,801$

Найти:

Неизвестный металл M - ?

Решение:

Массовая доля элемента в веществе вычисляется по формуле:

$\omega(элемента) = \frac{n \cdot Ar(элемента)}{Mr(вещества)}$

где $n$ — число атомов элемента в формуле, $Ar$ — относительная атомная масса элемента, $Mr$ — относительная молекулярная масса вещества.

В нашем случае формула вещества $M(OH)_2$. Число атомов металла M в одной формульной единице равно 1.

Относительная молекулярная масса основания $M(OH)_2$ складывается из атомной массы металла M и масс двух гидроксогрупп (OH):

$Mr(M(OH)_2) = Ar(M) + 2 \cdot (Ar(O) + Ar(H))$

Используем значения относительных атомных масс кислорода (O) и водорода (H) из Периодической системы:

$Ar(O) \approx 16$ а.е.м.

$Ar(H) \approx 1$ а.е.м.

Тогда относительная молекулярная масса основания равна:

$Mr(M(OH)_2) = Ar(M) + 2 \cdot (16 + 1) = Ar(M) + 34$

Пусть $x$ — это искомая относительная атомная масса металла М, то есть $x = Ar(M)$.

Подставим известные значения в формулу для массовой доли:

$\omega(M) = \frac{Ar(M)}{Mr(M(OH)_2)} = \frac{x}{x + 34}$

Согласно условию, $\omega(M) = 0,801$. Составим и решим уравнение:

$0,801 = \frac{x}{x + 34}$

Умножим обе части уравнения на $(x + 34)$:

$0,801 \cdot (x + 34) = x$

$0,801x + 0,801 \cdot 34 = x$

$0,801x + 27,234 = x$

Перенесем слагаемые с $x$ в одну сторону:

$x - 0,801x = 27,234$

$0,199x = 27,234$

Найдем $x$:

$x = \frac{27,234}{0,199} \approx 136,85$

Таким образом, относительная атомная масса неизвестного металла составляет примерно 137 а.е.м.

Обратившись к Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, находим элемент с наиболее близкой атомной массой. Этим элементом является барий (Ba), его относительная атомная масса равна 137,33. Барий — это щелочноземельный металл, находится во II группе, и его валентность в соединениях равна II, что соответствует формуле основания $M(OH)_2$.

Ответ: Неизвестный металл — барий (Ba).

4. Какое количество вещества составляют 390 г гидроксида кальция?

Дано:

Масса гидроксида кальция ($m(\text{Ca(OH)}_2)$) = 390 г

Перевод в СИ: $390 \text{ г} = 0.390 \text{ кг}$

Найти:

Количество вещества гидроксида кальция ($n(\text{Ca(OH)}_2)$) - ?

Решение:

Количество вещества ($n$) — это физическая величина, которая определяется отношением массы вещества ($m$) к его молярной массе ($M$). Расчет производится по формуле:

$n = \frac{m}{M}$

Для решения задачи выполним следующие шаги:

1. Определим химическую формулу гидроксида кальция. Гидроксид кальция (гашёная известь) состоит из одного иона кальция ($Ca^{2+}$) и двух гидроксид-ионов ($OH^{-}$). Таким образом, его химическая формула — $Ca(OH)_2$.

2. Рассчитаем молярную массу гидроксида кальция ($M(\text{Ca(OH)}_2)$). Для этого сложим атомные массы всех атомов, входящих в состав одной формульной единицы вещества. Используем округленные значения относительных атомных масс из Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева:

- $Ar(\text{Ca}) = 40$

- $Ar(\text{O}) = 16$

- $Ar(\text{H}) = 1$

Молярная масса $M$ численно равна относительной молекулярной массе и измеряется в г/моль:

$M(\text{Ca(OH)}_2) = Ar(\text{Ca}) + 2 \cdot (Ar(\text{O}) + Ar(\text{H})) = 40 + 2 \cdot (16 + 1) = 40 + 34 = 74 \text{ г/моль}$

3. Подставим известные значения массы и молярной массы в исходную формулу и найдем количество вещества:

$n(\text{Ca(OH)}_2) = \frac{m(\text{Ca(OH)}_2)}{M(\text{Ca(OH)}_2)} = \frac{390 \text{ г}}{74 \text{ г/моль}} \approx 5.27 \text{ моль}$

Ответ: 5.27 моль.

5. Найдите массу 5 моль гидроксида железа(II) и массу 0,5 моль гидроксида железа(III).

Дано:

$n(Fe(OH)_2) = 5$ моль
$n(Fe(OH)_3) = 0,5$ моль

Найти:

$m(Fe(OH)_2)$ — ?
$m(Fe(OH)_3)$ — ?

Решение:

Масса вещества ($m$) связана с его количеством вещества ($n$) и молярной массой ($M$) следующей формулой:

$m = n \cdot M$

Для решения задачи необходимо сначала рассчитать молярные массы гидроксида железа(II) и гидроксида железа(III). Для этого воспользуемся периодической системой химических элементов, взяв округленные значения относительных атомных масс:

$Ar(Fe) = 56$ г/моль
$Ar(O) = 16$ г/моль
$Ar(H) = 1$ г/моль

Масса 5 моль гидроксида железа(II)

Химическая формула гидроксида железа(II) — $Fe(OH)_2$.

Рассчитаем его молярную массу:

$M(Fe(OH)_2) = Ar(Fe) + 2 \cdot (Ar(O) + Ar(H)) = 56 + 2 \cdot (16 + 1) = 56 + 34 = 90$ г/моль.

Теперь, зная количество вещества, рассчитаем его массу:

$m(Fe(OH)_2) = n(Fe(OH)_2) \cdot M(Fe(OH)_2) = 5 \text{ моль} \cdot 90 \text{ г/моль} = 450$ г.

Ответ: 450 г.

Масса 0,5 моль гидроксида железа(III)

Химическая формула гидроксида железа(III) — $Fe(OH)_3$.

Рассчитаем его молярную массу:

$M(Fe(OH)_3) = Ar(Fe) + 3 \cdot (Ar(O) + Ar(H)) = 56 + 3 \cdot (16 + 1) = 56 + 51 = 107$ г/моль.

Рассчитаем массу для заданного количества вещества:

$m(Fe(OH)_3) = n(Fe(OH)_3) \cdot M(Fe(OH)_3) = 0,5 \text{ моль} \cdot 107 \text{ г/моль} = 53,5$ г.

Ответ: 53,5 г.

6. Запишите уравнения реакций, характеризующих получение гидроксида калия, по следующим схемам:

а) $K_2O + H_2O \rightarrow \ldots$

б) $K + H_2O \rightarrow \ldots + \ldots$

Укажите тип реакций по признаку «число и состав исходных веществ и продуктов реакции», а также названия соединений.

а) K₂O + H₂O → ...

Взаимодействие оксида калия ($K_2O$), который является основным оксидом, с водой ($H_2O$) приводит к образованию соответствующего основания — гидроксида калия ($KOH$). Для составления верного уравнения необходимо уравнять количество атомов каждого элемента в левой и правой частях.

Уравнение реакции:
$K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

По признаку «число и состав исходных веществ и продуктов реакции» данная реакция классифицируется как реакция соединения, поскольку из двух исходных веществ синтезируется одно более сложное вещество.

Названия соединений:

• $K_2O$ — оксид калия
• $H_2O$ — вода (или оксид водорода)
• $KOH$ — гидроксид калия

Ответ: $K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$; тип реакции — соединение.

б) K + H₂O → ... + ...

Калий ($K$) — это активный щелочной металл, который бурно реагирует с водой ($H_2O$). В ходе реакции атом калия замещает один атом водорода в молекуле воды, в результате чего образуется гидроксид калия ($KOH$) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Уравнение реакции, сбалансированное по количеству атомов:
$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow$

По признаку «число и состав исходных веществ и продуктов реакции» данная реакция классифицируется как реакция замещения, так как атомы простого вещества (калия) замещают атомы одного из элементов в сложном веществе (воде).

Названия веществ:

• $K$ — калий
• $H_2O$ — вода (или оксид водорода)
• $KOH$ — гидроксид калия
• $H_2$ — водород

Ответ: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow$; тип реакции — замещение.

7. Подготовьте сообщение о получении и применении одной из щелочей. Аргументируйте выбор щёлочи.

Аргументация выбора
В качестве щёлочи для сообщения выбран гидроксид натрия ($NaOH$), также известный как каустическая сода или едкий натр. Этот выбор обусловлен тем, что гидроксид натрия является одной из наиболее важных и крупнотоннажных щелочей в мировой химической промышленности. Его широчайший спектр применения, охватывающий множество отраслей от производства бумаги до пищевой промышленности, а также хорошо отработанные промышленные технологии получения делают его идеальным примером для рассмотрения.

Получение
Основным современным промышленным способом получения гидроксида натрия является электролиз водных растворов хлорида натрия (поваренной соли). Наиболее передовым и экологически чистым является мембранный метод.
Суть метода заключается в электролизе раствора $NaCl$ в электролизере, где анодное и катодное пространства разделены ионообменной мембраной. Мембрана пропускает катионы $Na^+$, но задерживает анионы $Cl^−$ и $OH^−$.
Процессы на электродах:
На аноде (+): $2Cl^− - 2e^− \rightarrow Cl_2 \uparrow$
На катоде (−): $2H_2O + 2e^− \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^−$
В катодном пространстве ионы натрия, прошедшие через мембрану, образуют с гидроксид-ионами щёлочь: $Na^+ + OH^− \rightarrow NaOH$.
Суммарное уравнение реакции: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2 \uparrow + Cl_2 \uparrow$.
Помимо электролиза, исторически существовал химический (известковый) способ, основанный на реакции карбоната натрия с гидроксидом кальция: $Na_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2NaOH + CaCO_3\downarrow$. В настоящее время он практически не используется.

Применение
Гидроксид натрия — универсальный продукт с очень широкой сферой применения:
- Химическая промышленность: производство различных натриевых солей, органический синтез, нейтрализация кислот, производство чистых металлов.
- Целлюлозно-бумажная промышленность: варка целлюлозы для получения бумаги, картона и искусственных волокон.
- Производство мыла и детергентов: реакция омыления жиров и масел для получения мыла, шампуней и других моющих средств.
- Нефтепереработка: очистка нефтепродуктов от кислых примесей.
- Производство алюминия: в процессе Байера для переработки бокситовой руды в глинозём ($Al_2O_3$).
- Текстильная промышленность: мерсеризация хлопка и шерсти для придания им прочности и блеска.
- Пищевая промышленность (добавка E524): очистка фруктов и овощей, производство шоколада, какао, карамели, размягчение маслин.
- Водоподготовка: для нейтрализации кислот и их оксидов в воде.
- Бытовое применение: входит в состав средств для чистки канализационных труб и различных поверхностей от жировых загрязнений.

Ответ:
Подготовлено сообщение о гидроксиде натрия ($NaOH$). Выбор аргументирован его статусом одной из важнейших промышленных щелочей. Рассмотрен основной способ получения — мембранный электролиз раствора хлорида натрия, приводящий к образованию $NaOH$, $Cl_2$ и $H_2$. Описаны ключевые области применения гидроксида натрия: химическая, целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая, нефтеперерабатывающая промышленность, а также производство мыла, алюминия и использование в быту.

Лабораторный опыт 16

Ознакомьтесь с тремя препаратами домашней или школьной (кабинета химии) аптечки: растворами пероксида водорода, спиртовой настойки иода и нашатырного спирта (рис. 64). К каким типам смесей веществ относятся эти препараты?

Все три перечисленных препарата — растворы пероксида водорода, спиртовая настойка иода и нашатырный спирт — относятся к гомогенным (однородным) смесям. В таких смесях частицы растворенного вещества равномерно распределены в объеме растворителя на молекулярном уровне, поэтому визуально смесь выглядит однородной, и ее компоненты нельзя различить даже с помощью микроскопа.

Раствор пероксида водорода
Аптечный раствор пероксида водорода представляет собой водный раствор вещества пероксида водорода ($H_2O_2$). Обычно его концентрация составляет 3%. В этой смеси вода ($H_2O$) является растворителем, а пероксид водорода — растворенным веществом. Так как образуется прозрачная, устойчивая и однородная система, это гомогенная смесь.
Ответ: гомогенная (однородная) смесь.

Спиртовая настойка иода
Это раствор, состоящий из нескольких компонентов: кристаллического иода ($I_2$) и иодида калия ($KI$), растворенных в смеси этилового спирта ($C_2H_5OH$) и воды ($H_2O$). Несмотря на интенсивную окраску, все вещества полностью растворены и равномерно распределены, образуя однородную жидкость. Таким образом, это гомогенная смесь.
Ответ: гомогенная (однородная) смесь.

Нашатырный спирт
Нашатырный спирт — это водный раствор газообразного аммиака ($NH_3$). При растворении аммиака в воде ($H_2O$) образуется раствор гидроксида аммония ($NH_4OH$). Это прозрачная бесцветная жидкость, в которой молекулы растворенного вещества равномерно распределены среди молекул растворителя. Следовательно, это гомогенная смесь.
Ответ: гомогенная (однородная) смесь.

Компонент, которого в препаратах больше, называют растворителем. Как вы думаете, какие два растворителя используются для приготовления данных препаратов? Компонент, которого в препаратах меньше, называют растворённым веществом. Как вы думаете, в каких агрегатных состояниях находились взятые для приготовления данных растворов вещества?

Как вы думаете, какие два растворителя используются для приготовления данных препаратов?

Исходя из определения, растворитель — это компонент, который присутствует в растворе в большем количестве и определяет его агрегатное состояние. Без дополнительного контекста о конкретных препаратах, можно предположить, что речь идёт о наиболее универсальных и часто используемых в химии, медицине и быту растворителях. Таковыми являются вода и этиловый спирт.

1. Вода ($H_2O$) — самый распространённый растворитель на Земле, его часто называют универсальным. Благодаря полярности своих молекул, вода способна растворять множество неорганических (соли, кислоты, основания) и органических (сахара, спирты) веществ. Большинство водных растворов, используемых в медицине (растворы для инъекций, микстуры), готовятся на её основе.
2. Этиловый спирт (этанол, $C_2H_5OH$) — второй по значимости растворитель. Он широко применяется для приготовления лекарственных настоек (например, валерианы, пустырника), антисептических средств (например, спиртовой раствор йода) и в парфюмерии. Этанол хорошо растворяет многие органические вещества, которые нерастворимы или плохо растворимы в воде (например, смолы, жиры, алкалоиды).

Ответ: Наиболее вероятными растворителями для приготовления данных препаратов являются вода и этиловый спирт.

Как вы думаете, в каких агрегатных состояниях находились взятые для приготовления данных растворов вещества?

Растворённое вещество (компонент, которого в растворе меньше) может быть взято для приготовления раствора в любом из трёх основных агрегатных состояний: твёрдом, жидком или газообразном. Конечное агрегатное состояние раствора обычно совпадает с агрегатным состоянием растворителя.

• Твёрдое агрегатное состояние. Это самый частый случай. Например:
  • Приготовление раствора поваренной соли в воде: твёрдые кристаллы хлорида натрия ($NaCl$) растворяют в жидкой воде.
  • Приготовление сахарного сиропа: твёрдую сахарозу ($C_{12}H_{22}O_{11}$) растворяют в воде.
  • Приготовление спиртовой настойки йода: твёрдый кристаллический йод ($I_2$) растворяют в этиловом спирте.
• Жидкое агрегатное состояние. Растворённое вещество также может быть жидкостью. Например:
  • Приготовление столового уксуса: жидкую уксусную кислоту ($CH_3COOH$) растворяют в воде.
  • Водно-глицериновый раствор: жидкий глицерин ($C_3H_5(OH)_3$) смешивают с водой.
• Газообразное агрегатное состояние. Газы также способны растворяться в жидкостях. Например:
  • Приготовление газированной воды: газообразный диоксид углерода ($CO_2$) растворяют в воде под давлением.
  • Приготовление нашатырного спирта (водного раствора аммиака): газообразный аммиак ($NH_3$) пропускают через воду.

Ответ: Взятые для приготовления данных растворов вещества могли находиться в твёрдом, жидком или газообразном агрегатном состоянии.