Страница 197 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Дано:

$m(\text{образца Na}) = 9,2 \, \text{г}$

$w(\text{примесей}) = 2,5\% = 0,025$

Найти:

$V(H_2)$ (н. у.) - ?

$n(\text{щёлочи})$ - ?

Решение:

1. Сначала определим массу чистого натрия, который будет вступать в реакцию, так как примеси в реакции с водой не участвуют. Массовая доля чистого натрия в образце составляет:

$w(\text{Na}) = 100\% - w(\text{примесей}) = 100\% - 2,5\% = 97,5\%$ или $0,975$.

Теперь вычислим массу чистого натрия:

$m(\text{Na}) = m(\text{образца Na}) \times w(\text{Na}) = 9,2 \, \text{г} \times 0,975 = 8,97 \, \text{г}$.

2. Составим уравнение химической реакции взаимодействия натрия с водой:

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$

Из уравнения видно, что образуется щёлочь (гидроксид натрия $NaOH$) и выделяется газообразный водород ($H_2$).

3. Найдём количество вещества (моль) чистого натрия, вступившего в реакцию. Молярная масса натрия $M(Na)$ равна $23 \, \text{г/моль}$.

$n(Na) = \frac{m(Na)}{M(Na)} = \frac{8,97 \, \text{г}}{23 \, \text{г/моль}} = 0,39 \, \text{моль}$.

4. На основе уравнения реакции и количества вещества натрия определим искомые величины.

Вычисление объёма (н. у.) водорода

Согласно уравнению реакции, из $2$ моль натрия образуется $1$ моль водорода, следовательно, их количества соотносятся как $2:1$.

$n(H_2) = \frac{1}{2} n(Na) = \frac{1}{2} \times 0,39 \, \text{моль} = 0,195 \, \text{моль}$.

Объём водорода при нормальных условиях (н. у.) находим по формуле $V = n \times V_m$, где молярный объём газа $V_m = 22,4 \, \text{л/моль}$.

$V(H_2) = 0,195 \, \text{моль} \times 22,4 \, \text{л/моль} = 4,368 \, \text{л}$.

Ответ: объём водорода (н. у.), который образуется, равен $4,368$ л.

Вычисление количества вещества щёлочи

Согласно уравнению реакции, из $2$ моль натрия образуется $2$ моль гидроксида натрия ($NaOH$), следовательно, их количества соотносятся как $2:2$ или $1:1$.

$n(NaOH) = n(Na) = 0,39 \, \text{моль}$.

Ответ: количество вещества щёлочи, которое получится, равно $0,39$ моль.

Дано:

$V(CO_2) = 448 \text{ м}^3$

Условия: н. у. (нормальные условия)

Найти:

$m(C_6H_{12}O_6) - ?$

$V(O_2) - ?$

$n(H_2O) - ?$

Решение:

1. Запишем суммарное уравнение реакции фотосинтеза:

$6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) углекислого газа ($CO_2$), вступившего в реакцию. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа $V_m$ составляет 22,4 л/моль, что эквивалентно $22.4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3/\text{моль}$.

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{448 \text{ м}^3}{22.4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3/\text{моль}} = 20 \cdot 10^3 \text{ моль} = 20000 \text{ моль}$

3. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем количества веществ продуктов и второго реагента. Соотношение количеств веществ по уравнению:

$n(CO_2) : n(H_2O) : n(C_6H_{12}O_6) : n(O_2) = 6 : 6 : 1 : 6$

масса глюкозы

Из стехиометрического соотношения находим количество вещества глюкозы:

$n(C_6H_{12}O_6) = \frac{1}{6} n(CO_2) = \frac{1}{6} \cdot 20000 \text{ моль} = \frac{10000}{3} \text{ моль}$

Вычислим молярную массу глюкозы ($C_6H_{12}O_6$), используя относительные атомные массы элементов: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(O)=16$.

$M(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 72 + 12 + 96 = 180 \text{ г/моль} = 0.18 \text{ кг/моль}$

Теперь найдем массу образовавшейся глюкозы:

$m(C_6H_{12}O_6) = n(C_6H_{12}O_6) \cdot M(C_6H_{12}O_6) = \frac{10000}{3} \text{ моль} \cdot 180 \text{ г/моль} = 10000 \cdot 60 \text{ г} = 600000 \text{ г} = 600 \text{ кг}$

Ответ: масса глюкозы составляет 600 кг.

объём кислорода

Из соотношения $n(CO_2) : n(O_2) = 6 : 6 = 1 : 1$, следует, что $n(O_2) = n(CO_2) = 20000 \text{ моль}$.

Найдем объем кислорода, выделившегося при нормальных условиях:

$V(O_2) = n(O_2) \cdot V_m = 20000 \text{ моль} \cdot 22.4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3/\text{моль} = 448 \text{ м}^3$

(Согласно закону Авогадро, так как количества веществ $CO_2$ и $O_2$ равны, то их объемы при одинаковых условиях также равны).

Ответ: объём кислорода составляет 448 м³.

количество вещества воды

Из соотношения $n(CO_2) : n(H_2O) = 6 : 6 = 1 : 1$, следует, что количество вещества воды, которое потребовалось для реакции, равно количеству вещества углекислого газа:

$n(H_2O) = n(CO_2) = 20000 \text{ моль}$

Ответ: количество вещества воды составляет 20000 моль (или 20 кмоль).

Предлагается комплексный способ очистки водопроводной воды, основанный исключительно на физических свойствах веществ и состоящий из нескольких простых и доступных этапов: отстаивание, фильтрация и кипячение. Этот метод не требует специальных химических реагентов и может быть реализован в домашних условиях.

Этап 1: Отстаивание

Сначала водопроводную воду следует налить в открытую емкость (например, стеклянную банку) и оставить на 6-8 часов. За это время произойдут два важных физических процесса. Во-первых, седиментация: тяжелые нерастворимые частицы (песок, ржавчина) опустятся на дно под действием силы тяжести из-за своей большей плотности по сравнению с водой. Во-вторых, дегазация: летучие примеси, такие как остаточный хлор, испарятся с поверхности воды. После отстаивания верхний слой воды (примерно 2/3 объема) нужно аккуратно слить в другую емкость, не взбалтывая осадок.

Этап 2: Фильтрация

Для дальнейшей очистки от мелких взвешенных частиц и некоторых растворенных соединений используется фильтрация. Простейший фильтр можно изготовить из пластиковой бутылки с отрезанным дном. В горлышко помещается вата или несколько слоев марли, а затем в перевернутую бутылку последовательно насыпаются слои: измельченный активированный уголь (из аптеки), промытый песок, и снова уголь. Вода, полученная после отстаивания, медленно пропускается через такой фильтр. Физический принцип здесь двойной: механическая фильтрация, где песок и вата задерживают твердые частицы, и адсорбция, где пористый активированный уголь поглощает своей поверхностью молекулы растворенных органических веществ и остаточного хлора.

Этап 3: Кипячение

Отфильтрованную воду кипятят в течение 5-10 минут. Кипячение при температуре $100°C$ является эффективным методом обеззараживания, так как высокая температура губительна для большинства бактерий и вирусов. Кроме того, при кипячении происходит еще один физико-химический процесс: соли, обуславливающие временную жесткость воды (гидрокарбонаты кальция и магния), разлагаются с образованием нерастворимого осадка — накипи. После кипячения воде дают остыть, и ее можно аккуратно слить, оставив накипь на дне посуды.

В качестве альтернативного или дополнительного метода можно использовать вымораживание. Этот способ основан на том, что чистая вода замерзает при $0°C$, образуя кристаллическую структуру, которая вытесняет примеси. Примеси же остаются в жидкой фазе, понижая ее температуру замерзания. Для этого емкость с водой помещают в морозильник и дожидаются, пока замерзнет примерно 2/3 объема. Незамерзшую воду с концентрированными примесями сливают, а полученный чистый лед растапливают для питья.

Ответ: Простой и доступный способ очистки водопроводной воды, основанный на физических свойствах, заключается в последовательном отстаивании воды для осаждения тяжелых примесей, последующей фильтрации через самодельный фильтр с песком и активированным углем для удаления взвесей и адсорбции примесей, и финальном кипячении для стерилизации и снижения жесткости.

Решение

Доказательство оптимальности бытового фильтра для воды требует анализа по нескольким ключевым критериям, так как понятие "оптимальный" означает наилучшее соотношение характеристик для конкретных условий. Рассмотрим доказательство на примере наиболее распространенного типа фильтра — фильтра-кувшина — для гипотетической семьи из 3-4 человек, проживающей в городской квартире с централизованным водоснабжением. Предполагается, что водопроводная вода соответствует санитарным нормам, но имеет привкус хлора.

1. Эффективность очистки

Фильтры-кувшины используют сменные картриджи, основной которых, как правило, — активированный уголь и ионообменная смола. Активированный уголь эффективно поглощает остаточный хлор, органические соединения и нефтепродукты, которые являются главной причиной неприятного запаха и вкуса водопроводной воды. Ионообменная смола снижает жёсткость воды и удаляет ионы тяжелых металлов (например, свинца, меди, ртути). Для условий городского водопровода, где вода уже прошла обеззараживание, такой степени очистки вполне достаточно для получения безопасной и приятной на вкус питьевой воды. Более сложные системы, например, на основе обратного осмоса, обеспечивают избыточную степень очистки, удаляя из воды также и полезные минеральные соли, что не всегда является необходимым и желательным.

2. Экономическая целесообразность

Фильтр-кувшин является самым доступным решением. Первоначальные затраты на его покупку минимальны. Основные расходы приходятся на сменные картриджи. Средний ресурс одного картриджа составляет около 300 литров. При суточном потреблении семьей 5 литров воды, одного картриджа хватит на 60 дней. Стоимость одного литра очищенной воды оказывается значительно ниже стоимости бутилированной воды. В сравнении со стационарными системами (проточными или обратноосмотическими), которые требуют значительных начальных вложений (от нескольких тысяч до десятков тысяч рублей) и более дороги в обслуживании, кувшин является экономически наиболее оптимальным выбором для базовой очистки воды.

3. Удобство использования и установки

По этому критерию фильтр-кувшин не имеет равных. Он не требует абсолютно никакой установки и подключения к водопроводу. Он мобилен: его можно хранить на кухонном столе или в дверце холодильника, брать с собой на дачу. Процесс замены картриджа элементарен и занимает меньше минуты. Единственный недостаток — ограниченная скорость фильтрации и необходимость постоянно наполнять кувшин вручную — компенсируется простотой и отсутствием необходимости в каких-либо специальных навыках для обслуживания.

4. Соответствие потребностям семьи

Оптимальность фильтра определяется тем, насколько хорошо он решает конкретные задачи пользователя. Для рассматриваемой семьи основная задача — улучшение органолептических свойств воды (вкуса и запаха) и базовая доочистка от самых распространенных примесей. Фильтр-кувшин идеально справляется именно с этой задачей, не обременяя семью излишними функциями и затратами. Он не решает проблем, которых у семьи нет (например, микробиологическое загрязнение или экстремально высокая жесткость), что делает его целенаправленным и, следовательно, оптимальным решением.

Таким образом, для типичной городской семьи, которая нуждается в улучшении вкуса питьевой воды и не сталкивается с серьезными проблемами ее качества, фильтр-кувшин представляет собой наилучший баланс эффективности, стоимости и удобства. Он достаточен для решения поставленной задачи, экономичен и предельно прост в эксплуатации.

Ответ: Используемый семьей бытовой фильтр (в рассмотренном примере — фильтр-кувшин) является наиболее оптимальным, так как он обеспечивает достаточный уровень очистки для улучшения вкуса и удаления основных примесей из городской водопроводной воды при минимальных финансовых затратах и максимальном удобстве использования, что полностью соответствует потребностям среднестатистической семьи.

Решение

Химические реакции классифицируют по различным признакам. Многие из этих признаков являются противоположными по смыслу, то есть представляют собой химические антонимы. Ниже приведены четыре пары таких антонимов.

1. По числу и составу исходных веществ и продуктов

   Эта классификация противопоставляет реакции, в которых сложность молекул увеличивается, реакциям, где она уменьшается. Реакции соединения — это реакции, в ходе которых из двух или более простых веществ образуется одно более сложное вещество. Реакции разложения — это противоположный процесс, в котором из одного сложного вещества образуется два или более простых вещества.

   Ответ: Реакции соединения – реакции разложения.

2. По тепловому эффекту

   Эта пара антонимов описывает энергетические изменения в ходе реакции. Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты в окружающую среду (изменение энтальпии $ΔH < 0$). Напротив, эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты из окружающей среды ($ΔH > 0$).

   Ответ: Экзотермические реакции – эндотермические реакции.

3. По направлению протекания

   Данная классификация разделяет реакции по их способности протекать в противоположных направлениях. Необратимые реакции протекают только в одном направлении до полного исчерпания одного из реагентов. Обратимые реакции могут протекать одновременно как в прямом, так и в обратном направлении, что приводит к установлению состояния химического равновесия.

   Ответ: Необратимые реакции – обратимые реакции.

4. По изменению степеней окисления

   Этот признак разделяет все реакции на два больших класса. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) — это реакции, в которых происходит изменение степеней окисления у атомов одного или нескольких химических элементов за счет передачи электронов. Реакции, в которых степени окисления всех элементов остаются неизменными (например, реакции ионного обмена, реакции нейтрализации), являются их антонимами.

   Ответ: Окислительно-восстановительные реакции – реакции, протекающие без изменения степеней окисления.