Страница 99 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Дано:

Газы: аргон (Ar), хлор (Cl₂), кислород (O₂), озон (O₃)

Условия: нормальные (н. у.)

Объем каждого газа, $V = 1$ л

Перевод данных в систему СИ:

Нормальные условия (н. у.) соответствуют:

Температура: $T = 0 \text{ °C} = 273.15 \text{ К}$

Давление: $P = 1 \text{ атм} = 101325 \text{ Па}$

Объем: $V = 1 \text{ л} = 1 \text{ дм}^3 = 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

1. Плотности $\rho$ (массу 1 л) для Ar, Cl₂, O₂, O₃.

2. Число молекул $N$ в 1 л для каждого из веществ.

Решение:

Найдите плотности (массу 1 л) аргона, хлора, кислорода и озона при н. у.

Плотность газа ($\rho$) при нормальных условиях можно рассчитать, зная его молярную массу ($M$) и молярный объем газов при н. у. ($V_m = 22.4$ л/моль). Формула для расчета:

$\rho = \frac{M}{V_m}$

Масса 1 литра газа численно равна его плотности, выраженной в г/л. Сначала найдем молярные массы указанных газов, используя значения относительных атомных масс из Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (округляя до целых чисел, для хлора до десятых):

• Молярная масса аргона: $M(\text{Ar}) \approx 40$ г/моль.
• Молярная масса хлора: $M(\text{Cl}_2) = 2 \times 35.5 = 71$ г/моль.
• Молярная масса кислорода: $M(\text{O}_2) = 2 \times 16 = 32$ г/моль.
• Молярная масса озона: $M(\text{O}_3) = 3 \times 16 = 48$ г/моль.

Теперь рассчитаем плотности:

Для аргона (Ar):

$\rho(\text{Ar}) = \frac{40 \text{ г/моль}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 1.786 \text{ г/л}$

Для хлора (Cl₂):

$\rho(\text{Cl}_2) = \frac{71 \text{ г/моль}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 3.170 \text{ г/л}$

Для кислорода (O₂):

$\rho(\text{O}_2) = \frac{32 \text{ г/моль}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 1.429 \text{ г/л}$

Для озона (O₃):

$\rho(\text{O}_3) = \frac{48 \text{ г/моль}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 2.143 \text{ г/л}$

Ответ: Плотности (массы 1 л) газов при н. у. составляют: для аргона $\approx 1.786$ г/л, для хлора $\approx 3.170$ г/л, для кислорода $\approx 1.429$ г/л, для озона $\approx 2.143$ г/л.

Сколько молекул каждого вещества будет содержаться в 1 л при тех же условиях?

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Поэтому в 1 л каждого из указанных газов при н. у. будет содержаться одинаковое количество молекул.

Для расчета числа молекул ($N$) сначала найдем количество вещества ($n$) в 1 л газа при н. у., используя молярный объем $V_m$:

$n = \frac{V}{V_m} = \frac{1 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.04464 \text{ моль}$

Затем, зная количество вещества, найдем число молекул, используя постоянную Авогадро $N_A \approx 6.022 \times 10^{23}$ моль⁻¹:

$N = n \times N_A \approx 0.04464 \text{ моль} \times 6.022 \times 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 2.688 \times 10^{22}$

Ответ: В 1 л каждого из указанных газов (аргона, хлора, кислорода, озона) при н. у. содержится примерно $2.688 \times 10^{22}$ молекул.

Дано:

$V(O_2) = V(O_3) = V(CO_2) = 5,6 \text{ л}$

Условия нормальные (н. у.)

Перевод в СИ:

$V = 5,6 \text{ л} = 5,6 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

$m(O_2)$ - ?

$m(O_3)$ - ?

$m(CO_2)$ - ?

Решение:

Согласно закону Авогадро, 1 моль любого газа при нормальных условиях (н. у.) занимает объём 22,4 л. Этот объём называется молярным объёмом ($V_m$).

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

1. Найдём количество вещества ($n$) для каждого газа. Так как объёмы газов одинаковы, то и количество вещества будет одинаковым.

$n = \frac{V}{V_m}$

$n = \frac{5,6 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,25 \text{ моль}$

2. Массу вещества можно найти по формуле:

$m = n \cdot M$

где $M$ – молярная масса вещества.

а) кислорода

Химическая формула кислорода – $O_2$.

Найдём молярную массу кислорода, используя относительные атомные массы из периодической системы Д.И. Менделеева ($Ar(O) \approx 16$).

$M(O_2) = 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$

Теперь рассчитаем массу кислорода:

$m(O_2) = n \cdot M(O_2) = 0,25 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 8 \text{ г}$

Ответ: масса кислорода равна 8 г.

б) озона

Химическая формула озона – $O_3$.

Найдём молярную массу озона:

$M(O_3) = 3 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 16 = 48 \text{ г/моль}$

Рассчитаем массу озона:

$m(O_3) = n \cdot M(O_3) = 0,25 \text{ моль} \cdot 48 \text{ г/моль} = 12 \text{ г}$

Ответ: масса озона равна 12 г.

в) углекислого газа $CO_2$

Химическая формула углекислого газа – $CO_2$.

Найдём молярную массу углекислого газа ($Ar(C) \approx 12, Ar(O) \approx 16$).

$M(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 12 + 32 = 44 \text{ г/моль}$

Рассчитаем массу углекислого газа:

$m(CO_2) = n \cdot M(CO_2) = 0,25 \text{ моль} \cdot 44 \text{ г/моль} = 11 \text{ г}$

Ответ: масса углекислого газа равна 11 г.

Чтобы определить, какой из газов тяжелее в каждом случае, необходимо сравнить их массы. Массу газа можно вычислить по формуле:

$m = n \cdot M$

где $m$ – масса, $n$ – количество вещества (в молях), $M$ – молярная масса.

Количество вещества газа можно найти, зная его объем $V$ и молярный объем $V_m$. При одинаковых условиях (температуре и давлении) молярный объем для всех газов одинаков. При нормальных условиях (н.у.) он составляет $V_m \approx 22,4$ л/моль.

Следовательно, формула для расчета массы через объем:

$m = \frac{V}{V_m} \cdot M$

а) 5 л сернистого газа (SO₂) или 5 л углекислого газа (CO₂)

Дано:

$V(SO_2) = 5 \text{ л}$

$V(CO_2) = 5 \text{ л}$

$V(SO_2) = 5 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

$V(CO_2) = 5 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

Сравнить массы $m(SO_2)$ и $m(CO_2)$.

Решение:

Согласно закону Авогадро, равные объемы различных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое количество вещества ($n$). Поскольку $V(SO_2) = V(CO_2)$, то и $n(SO_2) = n(CO_2)$.

Из формулы $m = n \cdot M$ следует, что при равном количестве вещества масса газа прямо пропорциональна его молярной массе. Следовательно, тяжелее будет тот газ, у которого больше молярная масса.

1. Вычислим молярную массу сернистого газа (SO₂). Используем относительные атомные массы из Периодической таблицы: $Ar(S) \approx 32$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(SO_2) = Ar(S) + 2 \cdot Ar(O) = 32 + 2 \cdot 16 = 64 \text{ г/моль}$

2. Вычислим молярную массу углекислого газа (CO₂). Используем относительные атомные массы: $Ar(C) \approx 12$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$

3. Сравним молярные массы:

$64 \text{ г/моль} > 44 \text{ г/моль}$, следовательно, $M(SO_2) > M(CO_2)$.

Так как объемы газов одинаковы, а молярная масса сернистого газа больше молярной массы углекислого газа, 5 л сернистого газа будут тяжелее, чем 5 л углекислого газа.

Ответ: 5 л сернистого газа (SO₂) тяжелее, чем 5 л углекислого газа (CO₂).

б) 2 л углекислого газа (CO₂) или 3 л угарного газа (CO)

Дано:

$V(CO_2) = 2 \text{ л}$

$V(CO) = 3 \text{ л}$

$V(CO_2) = 2 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

$V(CO) = 3 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

Сравнить массы $m(CO_2)$ и $m(CO)$.

Решение:

В этом случае объемы газов различны, поэтому необходимо вычислить массу каждого газа и сравнить их. Будем использовать молярный объем при н.у. $V_m \approx 22,4$ л/моль.

1. Вычислим массу 2 л углекислого газа (CO₂). Молярная масса $M(CO_2) = 44$ г/моль (рассчитана в пункте а).

$m(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} \cdot M(CO_2) = \frac{2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \cdot 44 \text{ г/моль} \approx 3,93 \text{ г}$

2. Вычислим массу 3 л угарного газа (CO). Сначала найдем его молярную массу. Используем относительные атомные массы: $Ar(C) \approx 12$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(CO) = Ar(C) + Ar(O) = 12 + 16 = 28 \text{ г/моль}$

$m(CO) = \frac{V(CO)}{V_m} \cdot M(CO) = \frac{3 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \cdot 28 \text{ г/моль} \approx 3,75 \text{ г}$

3. Сравним полученные массы:

$3,93 \text{ г} > 3,75 \text{ г}$, следовательно, $m(CO_2) > m(CO)$.

Ответ: 2 л углекислого газа (CO₂) тяжелее, чем 3 л угарного газа (CO).

Деление простых веществ на металлы и неметаллы основано на комплексе их физических и химических свойств. Однако это деление является условным, так как не существует абсолютно четкой границы между этими двумя группами. Относительность такого деления можно доказать на нескольких примерах.

1. Явление аллотропии. Один и тот же химический элемент может существовать в виде нескольких простых веществ, называемых аллотропными модификациями, свойства которых могут кардинально различаться и соответствовать как металлам, так и неметаллам.

• Углерод (C). Одна его аллотропная модификация, алмаз, является типичным неметаллом: он прозрачен, очень тверд, не проводит электрический ток (диэлектрик). Другая модификация, графит, проявляет ряд металлических свойств: он имеет металлический блеск, является электропроводным и мягким.
• Олово (Sn). При обычных условиях это белое олово (β-Sn) — типичный металл, обладающий серебристо-белым цветом, ковкостью и пластичностью. Однако при температуре ниже +13,2 °C оно переходит в другую модификацию — серое олово (α-Sn), которое является хрупким серым порошком и полупроводником, то есть проявляет свойства неметалла.

2. Существование переходных элементов — полуметаллов (металлоидов). В Периодической системе Д.И. Менделеева на границе между металлами и неметаллами расположены элементы (B, Si, Ge, As, Sb, Te), которые по одним свойствам похожи на металлы, а по другим — на неметаллы.

• Кремний (Si) и германий (Ge) внешне похожи на металлы (имеют металлический блеск), но при этом они хрупки, как многие неметаллы. Их важнейшее свойство — полупроводимость, то есть их способность проводить электрический ток занимает промежуточное положение между металлами (проводниками) и неметаллами (диэлектриками).

3. Химические свойства (амфотерность). Некоторые элементы, классифицируемые как металлы, образуют оксиды и гидроксиды, которые проявляют амфотерные (двойственные) свойства, то есть могут реагировать как с кислотами, так и со щелочами. Такое поведение сближает их с неметаллами, чьи оксиды обычно кислотные.

• Например, алюминий (Al) и цинк (Zn) — металлы, но их оксиды и гидроксиды амфотерны. Оксид алюминия реагирует и с кислотой, и со щелочью:

  Реакция с кислотой: $Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$

  Реакция со щелочью: $Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

Ответ: Таким образом, существование аллотропных модификаций с противоположными свойствами (как у углерода и олова), наличие элементов-полуметаллов с промежуточными физическими свойствами (как у кремния), а также проявление некоторыми металлами (как алюминий) амфотерных химических свойств доказывают, что деление простых веществ на металлы и неметаллы носит относительный характер. Между этими группами нет резкой грани, а наблюдается плавный переход свойств.

Благородные газы, также известные как инертные газы (элементы 18-й группы Периодической системы), выделяют в отдельный класс простых веществ на основании их уникальных свойств, которые кардинально отличают их от всех других элементов. Обоснование этого выделения включает несколько ключевых аспектов, связанных со строением их атомов и вытекающими из него физическими и химическими характеристиками.

Основные причины для выделения благородных газов в отдельный класс:

• Электронное строение атома. Это фундаментальная причина. Атомы всех благородных газов имеют полностью завершённый внешний электронный слой. У гелия (He) это конфигурация $1s^2$, а у остальных — неона (Ne), аргона (Ar), криптона (Kr), ксенона (Xe) и радона (Rn) — конфигурация $ns^2np^6$. Такой электронный слой (дуплет у гелия и октет у остальных) является чрезвычайно устойчивым.
• Химическая инертность. Вследствие высокой устойчивости электронной конфигурации атомы благородных газов не склонны ни отдавать, ни принимать электроны, ни образовывать общие электронные пары. Это выражается в очень высоких значениях энергии ионизации и близком к нулю сродстве к электрону. Поэтому они практически не вступают в химические реакции. Хотя для тяжелых благородных газов (криптона, ксенона, радона) в жестких условиях получены соединения с самыми электроотрицательными элементами (фтором, кислородом), их реакционная способность несравнимо ниже, чем у элементов других групп.
• Форма существования простого вещества. В отличие от других простых веществ-неметаллов, которые при нормальных условиях являются газами (водород $H_2$, азот $N_2$, кислород $O_2$, фтор $F_2$, хлор $Cl_2$), благородные газы состоят не из молекул, а из отдельных атомов. Они являются одноатомными газами. Это прямое следствие их неспособности образовывать устойчивые химические связи друг с другом.
• Физические свойства. Из-за одноатомности и очень слабых межмолекулярных взаимодействий (только дисперсионные силы Лондона) благородные газы обладают очень низкими температурами плавления и кипения. При стандартных условиях это газы без цвета, вкуса и запаха.

Таким образом, сочетание завершенной электронной оболочки, химической инертности и существования в виде одноатомных газов делает благородные газы уникальной группой, которая справедливо выделяется в отдельный класс простых веществ.

Ответ:

Выделение благородных газов в отдельный класс простых веществ обосновано их уникальными свойствами, которые кардинально отличают их от всех других элементов. Главными причинами являются: 1) строение атома с полностью завершённой и очень стабильной внешней электронной оболочкой (конфигурация $ns^2np^6$); 2) вытекающая из этого строения крайняя химическая инертность (низкая реакционная способность); 3) форма существования в виде одноатомных газов, в то время как другие газообразные неметаллы (например, азот $N_2$ или кислород $O_2$) состоят из двухатомных молекул. Совокупность этих фундаментальных отличий и является основанием для их особой классификации.

Обоснуйте универсальность понятия «количество вещества» для массы, объёма и числа структурных частиц вещества

Понятие «количество вещества» (обозначается $ν$, измеряется в молях) является универсальным, поскольку оно выступает в роли фундаментального связующего звена между микроскопическим уровнем (числом структурных частиц) и макроскопическими, измеримыми на практике, характеристиками вещества, такими как масса и объём. Эта универсальность проявляется в следующих ключевых связях:

1. Связь с числом структурных частиц ($N$): По своему определению, количество вещества прямо пропорционально числу составляющих его частиц (атомов, молекул, ионов). Связь осуществляется через постоянную Авогадро ($N_A \approx 6,022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$), которая является универсальной константой, одинаковой для абсолютно любого вещества. Формула этой связи: $ν = \frac{N}{N_A}$.

2. Связь с массой ($m$): Для каждого конкретного вещества масса одного моля его частиц — это постоянная величина, называемая молярной массой ($M$). Молярная масса является уникальной характеристикой вещества, но сам принцип связи массы и количества вещества универсален. Зная $M$, можно всегда найти массу для любого количества вещества, и наоборот. Формула связи: $ν = \frac{m}{M}$.

3. Связь с объёмом ($V$) для газов: В соответствии с законом Авогадро, 1 моль любого газа при одинаковых внешних условиях (температуре и давлении) занимает один и тот же объём, называемый молярным объёмом ($V_m$). Например, при нормальных условиях (н.у.) $V_m \approx 22,4 \text{ л/моль}$. Эта закономерность универсальна для всех веществ в газообразном состоянии (в рамках модели идеального газа). Формула связи: $ν = \frac{V}{V_m}$.

Таким образом, количество вещества является центральным понятием, позволяющим выполнять количественные переходы между числом частиц, массой и объёмом с помощью постоянных величин ($N_A$, $M$, $V_m$). Это делает его универсальным и незаменимым инструментом для расчётов в химии и физике.

Ответ: Универсальность понятия «количество вещества» заключается в том, что оно является единой мерой, пропорциональной числу частиц, и через постоянные коэффициенты (постоянную Авогадро, молярную массу, молярный объём) напрямую связывает микроскопический мир с макроскопическими характеристиками вещества — массой и объёмом.

Предложите формулу для нахождения одной физической величины по другой с использованием понятия «количество вещества»

Поскольку количество вещества ($ν$) можно выразить через массу ($m$), объём газа ($V$) или число частиц ($N$), мы можем приравнять соответствующие формулы, чтобы установить прямую связь между этими физическими величинами. Основные соотношения, использующие количество вещества: $ν = \frac{m}{M}$ (через массу и молярную массу $M$), $ν = \frac{V}{V_m}$ (через объём газа и молярный объём $V_m$) и $ν = \frac{N}{N_A}$ (через число частиц и постоянную Авогадро $N_A$).

Объединив эти равенства, получаем универсальную комбинированную формулу, которая связывает все три величины через количество вещества:

$\frac{m}{M} = \frac{V}{V_m} = \frac{N}{N_A}$

Эта общая формула позволяет вывести частные формулы для нахождения одной величины по другой. Например, чтобы найти массу вещества, зная число его структурных частиц, мы используем часть равенства, связывающую массу и число частиц:

$\frac{m}{M} = \frac{N}{N_A}$

Из этого соотношения можно выразить массу:

$m = \frac{N \cdot M}{N_A}$

Аналогично можно найти формулу для связи любых других двух величин, например, объёма газа и числа частиц: $\frac{V}{V_m} = \frac{N}{N_A}$, откуда $V = \frac{N \cdot V_m}{N_A}$.

Ответ: Общая формула, связывающая массу ($m$), объём газа ($V$) и число частиц ($N$) через количество вещества: $\frac{m}{M} = \frac{V}{V_m} = \frac{N}{N_A}$. Из этого равенства можно получить формулу для нахождения одной величины через другую, например, для нахождения массы по известному числу частиц: $m = M \cdot \frac{N}{N_A}$.