Страница 97 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания

8-1. Какие из перечисленных металлов можно использовать для получения водорода вытеснением его из соляной кислоты: медь, цинк, серебро, алюминий, железо, золото? Напишите уравнения возможных реакций.

8-1.

Способность металла вытеснять водород из кислот (неокислителей, какой является соляная кислота) определяется его положением в электрохимическом ряду активности металлов. Металлы, стоящие в этом ряду левее (до) водорода ($H$), являются более активными и могут вытеснять его из растворов кислот. Металлы, стоящие правее (после) водорода, менее активны и не вступают в такую реакцию.

Проанализируем каждый металл из списка:

• Медь ($Cu$): стоит в ряду активности после водорода. Реакция не идет.

• Цинк ($Zn$): стоит в ряду активности до водорода. Реакция идет.

• Серебро ($Ag$): стоит в ряду активности после водорода. Реакция не идет.

• Алюминий ($Al$): стоит в ряду активности до водорода. Реакция идет.

• Железо ($Fe$): стоит в ряду активности до водорода. Реакция идет.

• Золото ($Au$): стоит в ряду активности после водорода. Реакция не идет.

Таким образом, для получения водорода из соляной кислоты можно использовать цинк, алюминий и железо.

Уравнения возможных реакций:

1. Реакция цинка с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и водорода:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

2. Реакция алюминия с соляной кислотой с образованием хлорида алюминия и водорода:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$

3. Реакция железа с соляной кислотой с образованием хлорида железа(II) и водорода:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$

Ответ: для получения водорода вытеснением его из соляной кислоты можно использовать цинк, алюминий и железо. Уравнения реакций: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$; $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$; $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$.

8-2. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить цепочки превращений веществ:

а) Серная кислота $\rightarrow$ Водород $\rightarrow$ Вода $\rightarrow$ Гидроксид кальция;

б) Вода $\rightarrow$ Водород $\rightarrow$ Хлороводород $\rightarrow$ Водород;

в) Соляная кислота $\rightarrow$ Водород $\rightarrow$ Вода $\rightarrow$ Гидроксид калия;

г) Серная кислота $\rightarrow$ Водород $\rightarrow$ Гидрид натрия $\rightarrow$ Гидроксид натрия.

а) Серная кислота → Водород → Вода → Гидроксид кальция

1. Для получения водорода из серной кислоты проведем реакцию замещения, используя активный металл, например, цинк. Реакция идет с разбавленной серной кислотой.

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

2. Для получения воды из водорода проведем реакцию горения водорода в кислороде. Реакция инициируется нагреванием.

$2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$

3. Для получения гидроксида кальция (гашеной извести) проведем реакцию оксида кальция (негашеной извести) с водой.

$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

Ответ:
$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$
$2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$
$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

б) Вода → Водород → Хлороводород → Водород

1. Для получения водорода из воды проведем ее электролиз. На катоде выделяется водород, на аноде — кислород.

$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

2. Для получения хлороводорода проведем реакцию синтеза из простых веществ — водорода и хлора. Реакция протекает на свету.

$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$

3. Для получения водорода из хлороводорода (в виде соляной кислоты) проведем реакцию замещения с металлом, стоящим в ряду активности до водорода, например, с цинком.

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Ответ:
$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$
$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

в) Соляная кислота → Водород → Вода → Гидроксид калия

1. Для получения водорода из соляной кислоты проведем реакцию замещения с активным металлом, например, с магнием.

$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Для получения воды из водорода проведем реакцию его горения в кислороде.

$2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$

3. Для получения гидроксида калия проведем реакцию оксида калия с водой.

$K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

Ответ:
$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$
$2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$
$K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

г) Серная кислота → Водород → Гидрид натрия → Гидроксид натрия

1. Для получения водорода из серной кислоты проведем реакцию замещения с железом.

$Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$

2. Для получения гидрида натрия проведем реакцию водорода с металлическим натрием при нагревании.

$2Na + H_2 \xrightarrow{t} 2NaH$

3. Для получения гидроксида натрия проведем реакцию гидролиза гидрида натрия (бурное взаимодействие с водой).

$NaH + H_2O \rightarrow NaOH + H_2 \uparrow$

Ответ:
$Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$
$2Na + H_2 \xrightarrow{t} 2NaH$
$NaH + H_2O \rightarrow NaOH + H_2 \uparrow$

8-3. В трех закрытых сосудах без этикеток находятся газы: кислород, водород, оксид углерода(IV). Предложите способы идентификации этих веществ.

Решение

Для того чтобы идентифицировать газы — кислород ($O_2$), водород ($H_2$) и оксид углерода(IV) ($CO_2$), находящиеся в трех сосудах без этикеток, можно использовать качественные реакции, основанные на их химических свойствах, в частности на их отношении к горению и реакции с известковой водой.

Способ 1. Последовательная идентификация

Этот способ предполагает два этапа.

1. Идентификация оксида углерода(IV) ($CO_2$).

Из каждого сосуда отбирается небольшое количество газа, которое пропускается через известковую воду (прозрачный раствор гидроксида кальция, $Ca(OH)_2$). Газ, который вызывает помутнение известковой воды, является оксидом углерода(IV). Помутнение происходит из-за образования нерастворимого осадка — карбоната кальция ($CaCO_3$).

Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$.

Два других газа, кислород и водород, не вступают в реакцию с известковой водой, и раствор останется прозрачным. Таким образом, мы определяем сосуд с $CO_2$.

2. Идентификация кислорода ($O_2$) и водорода ($H_2$).

В два оставшихся сосуда поочередно вносим тлеющую лучинку.

• В сосуде, где находится кислород, тлеющая лучинка ярко вспыхнет. Это происходит потому, что кислород активно поддерживает горение.
• В сосуде, где находится водород, с тлеющей лучинкой ничего не произойдет. Чтобы подтвердить наличие водорода, можно поджечь газ у отверстия сосуда (соблюдая осторожность). Водород сгорает с характерным тихим хлопком. Уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.

Способ 2. Идентификация с помощью горящей лучинки

Этот способ позволяет идентифицировать все три газа одновременно, внося в каждый сосуд горящую лучинку.

• В сосуде с оксидом углерода(IV) пламя лучинки погаснет, так как $CO_2$ не поддерживает горение и тяжелее воздуха.
• В сосуде с кислородом пламя лучинки станет гореть намного ярче.
• В сосуде с водородом раздастся характерный хлопок, так как водород является горючим газом.

Ответ: Для идентификации газов можно пропустить их через известковую воду — помутнение укажет на оксид углерода(IV). Оставшиеся газы, кислород и водород, можно различить с помощью тлеющей лучинки: в кислороде она вспыхнет, а в водороде — нет. Наличие водорода можно дополнительно подтвердить поджиганием, которое сопровождается хлопком.

8-4. Изучите устройство аппарата Киппа и рассмотрите принципы его работы. Подумайте и предложите аналогичное устройство упрощенной конструкции.

Устройство и принцип работы аппарата Киппа

Аппарат Киппа — это лабораторный прибор, предназначенный для получения газов в результате реакции между твердым и жидким веществами. Его главное преимущество — возможность регулировать и при необходимости прекращать реакцию, а затем возобновлять ее, что позволяет получать газ по мере надобности.

Устройство:

1. Нижний резервуар: Шарообразная или грушевидная емкость, служащая для сбора отработанного раствора. В нижней части имеет кран для слива жидкости.
2. Средний (реакционный) резервуар: Шарообразная емкость, в которую помещают твердое вещество (например, гранулы цинка или куски мрамора). Этот резервуар имеет боковой отвод с краном для выпуска получаемого газа.
3. Верхняя воронка с длинной трубкой: Длинная трубка этой воронки проходит через горловину среднего резервуара и доходит почти до дна нижнего. Через эту воронку в аппарат заливают жидкий реагент (например, кислоту).

Принцип работы:

Рассмотрим на примере получения водорода из цинка и соляной кислоты ($Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$) или углекислого газа из мрамора (карбоната кальция) и соляной кислоты ($CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$).

1. Загрузка: В средний резервуар помещают твердый реагент (например, гранулы цинка). Через верхнюю воронку наливают жидкий реагент (соляную кислоту). Кислота заполняет нижний резервуар, а затем поднимается в средний резервуар до уровня твердого вещества.
2. Начало реакции: Как только кислота соприкасается с цинком, начинается химическая реакция с выделением газа (водорода). При открытом газоотводном кране газ выходит из аппарата.
3. Прекращение реакции: Когда кран для отвода газа закрывают, газ накапливается в среднем резервуаре. Давление газа возрастает и вытесняет кислоту из среднего резервуара обратно в нижний резервуар и далее вверх по трубке в воронку. Контакт между кислотой и цинком прекращается, и реакция останавливается.
4. Возобновление реакции: При открытии крана давление газа в среднем резервуаре падает, кислота под действием гидростатического давления вновь поднимается, вступает в контакт с цинком, и выделение газа возобновляется.

Таким образом, аппарат Киппа является саморегулирующимся генератором газа.

Ответ: Аппарат Киппа состоит из трех сообщающихся сосудов и работает по принципу автоматического регулирования реакции: при закрытии газоотводного крана давление образующегося газа вытесняет жидкий реагент от твердого, прекращая реакцию; при открытии крана давление падает, и жидкость снова вступает в контакт с твердым веществом, возобновляя реакцию.

Аналогичное устройство упрощенной конструкции

В качестве упрощенного аналога аппарата Киппа можно предложить конструкцию, собранную из доступной лабораторной посуды, например, из колбы, пробирки и газоотводной трубки.

Устройство и сборка:

1. В большую пробирку помещают твердый реагент (например, куски мрамора $CaCO_3$). В дне или в нижней части стенок пробирки предварительно проделывают одно или несколько небольших отверстий.
2. Пробирку с твердым веществом подвешивают (например, с помощью проволоки или нити) или просто ставят внутрь колбы.
3. В колбу наливают жидкий реагент (например, соляную кислоту $HCl$) так, чтобы ее уровень был достаточен для контакта с твердым веществом через отверстия.
4. Колбу плотно закрывают пробкой с газоотводной трубкой. На гибкую часть газоотводной трубки надевают зажим.

Принцип работы:

1. При открытом зажиме кислота в колбе через отверстия попадает в пробирку и контактирует с твердым веществом. Начинается выделение газа, который выходит через газоотводную трубку.
2. Чтобы прекратить реакцию, на газоотводную трубку надевают зажим. Давление газа внутри колбы и пробирки возрастает. Это избыточное давление вытесняет кислоту из пробирки обратно в колбу через нижние отверстия.
3. Как только уровень кислоты опускается ниже твердого реагента, реакция прекращается.
4. Для возобновления получения газа достаточно снять зажим с трубки. Давление упадет, и кислота снова поднимется в пробирку, запуская реакцию.

Этот прибор, хоть и менее удобен и производителен, чем аппарат Киппа, но полностью повторяет его принцип действия.

Ответ: Упрощенным аналогом аппарата Киппа может служить система из колбы и помещенной в нее пробирки с отверстиями. В пробирку кладут твердый реагент, а в колбу наливают жидкий. Газ образуется при контакте реагентов. Реакция прекращается, когда давление газа вытесняет жидкость из пробирки, и возобновляется при стравливании давления.

Подумайте и предложите аналогичное устройство упрощенной конструкции.

8-5. Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, который можно получить при растворении 19,5 г цинка в избытке разбавленной серной кислоты.

Дано:

$m(Zn) = 19,5$ г

$H_2SO_4$ (разб.) - в избытке

Условия нормальные (н.у.)

Найти:

$m(H_2)$ - ?

$V(H_2)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой. В результате реакции замещения образуются сульфат цинка и водород.

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Уравнение сбалансировано, стехиометрические коэффициенты перед всеми веществами равны 1.

2. Рассчитаем количество вещества цинка ($Zn$), вступившего в реакцию. Для этого используем молярную массу цинка, которая согласно периодической таблице Д.И. Менделеева равна $M(Zn) \approx 65$ г/моль.

$n(Zn) = \frac{m(Zn)}{M(Zn)} = \frac{19,5 \text{ г}}{65 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества водорода ($H_2$), которое выделилось. Поскольку серная кислота взята в избытке, расчет ведем по цинку. Соотношение количеств веществ цинка и водорода равно их стехиометрическим коэффициентам:

$n(Zn) : n(H_2) = 1 : 1$

Следовательно, количество вещества водорода равно количеству вещества цинка:

$n(H_2) = n(Zn) = 0,3 \text{ моль}$

4. Теперь можно вычислить массу выделившегося водорода. Молярная масса водорода $M(H_2) = 2 \times 1 = 2$ г/моль.

$m(H_2) = n(H_2) \times M(H_2) = 0,3 \text{ моль} \times 2 \text{ г/моль} = 0,6 \text{ г}$

5. Наконец, рассчитаем объем водорода при нормальных условиях (н.у.). При н.у. молярный объем любого газа $V_m$ составляет 22,4 л/моль.

$V(H_2) = n(H_2) \times V_m = 0,3 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 6,72 \text{ л}$

Ответ: масса водорода, который можно получить, составляет 0,6 г; объем водорода при нормальных условиях составляет 6,72 л.

8-6. Вычислите массу цинка, который следует растворить в избытке соляной кислоты, чтобы получить 56 л (н.у.) водорода.

8-6.

Дано:

$V(H_2) = 56$ л (н.у.)

Найти:

$m(Zn)$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой. Соляная кислота находится в избытке, значит, цинк прореагирует полностью.

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) водорода, который выделился в ходе реакции. Объем газа при нормальных условиях (н.у.) связан с количеством вещества через молярный объем $V_m = 22,4$ л/моль.

Формула для расчета: $n = \frac{V}{V_m}$

$n(H_2) = \frac{56 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 2,5$ моль.

3. По уравнению реакции определим количество вещества цинка, которое вступило в реакцию. Стехиометрические коэффициенты перед цинком ($Zn$) и водородом ($H_2$) равны 1. Это означает, что их количества вещества соотносятся как 1:1.

$\frac{n(Zn)}{1} = \frac{n(H_2)}{1}$

$n(Zn) = n(H_2) = 2,5$ моль.

4. Найдем массу цинка, зная его количество вещества и молярную массу. Молярная масса цинка ($M(Zn)$) равна его относительной атомной массе и составляет 65 г/моль.

Формула для расчета массы: $m = n \cdot M$

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) = 2,5 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 162,5$ г.

Ответ: для получения 56 л водорода необходимо растворить 162,5 г цинка.

8-7. Вычислите массу и объем (н.у.) кислорода, необходимые для сжигания 20 г водорода. Рассчитайте массу образовавшейся воды.

Дано:

$m(H_2) = 20 \text{ г}$

Найти:

$m(O_2) - ?$

$V(O_2)$ (н.у.) - ?

$m(H_2O) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции горения водорода в кислороде:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции, используя округленные значения относительных атомных масс: $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Молярная масса водорода ($H_2$): $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$.

Молярная масса кислорода ($O_2$): $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$.

Молярная масса воды ($H_2O$): $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.

3. Вычислим количество вещества (число молей) водорода массой 20 г:

$\nu(H_2) = \frac{m(H_2)}{M(H_2)} = \frac{20 \text{ г}}{2 \text{ г/моль}} = 10 \text{ моль}$

4. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем количества веществ кислорода и воды.

Вычислите массу и объем (н.у.) кислорода, необходимые для сжигания 20 г водорода

Из уравнения реакции следует, что количество вещества кислорода в 2 раза меньше количества вещества водорода:

$\nu(O_2) = \frac{1}{2}\nu(H_2) = \frac{1}{2} \cdot 10 \text{ моль} = 5 \text{ моль}$

Масса необходимого кислорода равна:

$m(O_2) = \nu(O_2) \cdot M(O_2) = 5 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 160 \text{ г}$

Объем кислорода при нормальных условиях (н.у.), учитывая, что молярный объем газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$, равен:

$V(O_2) = \nu(O_2) \cdot V_m = 5 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 112 \text{ л}$

Ответ: масса необходимого кислорода составляет 160 г, а его объем (н.у.) - 112 л.

Рассчитайте массу образовавшейся воды

Из уравнения реакции следует, что количество вещества образовавшейся воды равно количеству вещества вступившего в реакцию водорода:

$\nu(H_2O) = \nu(H_2) = 10 \text{ моль}$

Масса образовавшейся воды равна:

$m(H_2O) = \nu(H_2O) \cdot M(H_2O) = 10 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 180 \text{ г}$

Проверку можно выполнить по закону сохранения массы: $m(H_2) + m(O_2) = 20 \text{ г} + 160 \text{ г} = 180 \text{ г}$. Масса реагентов равна массе получившейся воды, следовательно, расчеты верны.

Ответ: масса образовавшейся воды составляет 180 г.

8-8. Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, необходимого для получения 56 л (н.у.) сероводорода. Рассчитайте массу серы, которая потребуется для реакции.

Дано:

$V(\text{H}_2\text{S}) = 56 \text{ л}$ (н.у.)
$V_m = 22.4 \text{ л/моль}$ (молярный объем газа при н.у.)

Найти:

$m(\text{H}_2) - ?$
$V(\text{H}_2) - ?$
$m(\text{S}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции получения сероводорода из водорода и серы:

$ \text{H}_2 + \text{S} \rightarrow \text{H}_2\text{S} $

Уравнение сбалансировано. Из него видно, что реагенты и продукт находятся в мольном соотношении 1:1:1.

$ \nu(\text{H}_2) : \nu(\text{S}) : \nu(\text{H}_2\text{S}) = 1:1:1 $

2. Найдем количество вещества (химическое количество) образовавшегося сероводорода ($ \text{H}_2\text{S} $). Так как объем дан для нормальных условий (н.у.), воспользуемся формулой, связывающей объем газа с количеством вещества через молярный объем $ V_m $:

$ \nu(\text{H}_2\text{S}) = \frac{V(\text{H}_2\text{S})}{V_m} = \frac{56 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 2.5 \text{ моль} $

3. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, количество вещества водорода ($ \text{H}_2 $) и серы ($ \text{S} $), вступивших в реакцию, равно количеству вещества полученного сероводорода:

$ \nu(\text{H}_2) = \nu(\text{H}_2\text{S}) = 2.5 \text{ моль} $

$ \nu(\text{S}) = \nu(\text{H}_2\text{S}) = 2.5 \text{ моль} $

4. Теперь мы можем рассчитать массу и объем водорода, а также массу серы.

Вычисление объема водорода ($V(\text{H}_2)$):

Поскольку водород - газ, и условия нормальные, его объем рассчитывается аналогично объему сероводорода:

$ V(\text{H}_2) = \nu(\text{H}_2) \cdot V_m = 2.5 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 56 \text{ л} $

Вычисление массы водорода ($m(\text{H}_2)$):

Массу находим через количество вещества и молярную массу. Молярная масса водорода $ M(\text{H}_2) $:

$ M(\text{H}_2) = 2 \cdot 1 \text{ г/моль} = 2 \text{ г/моль} $

$ m(\text{H}_2) = \nu(\text{H}_2) \cdot M(\text{H}_2) = 2.5 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 5 \text{ г} $

Вычисление массы серы ($m(\text{S})$):

Аналогично находим массу серы. Молярная масса серы $ M(\text{S}) $:

$ M(\text{S}) = 32 \text{ г/моль} $

$ m(\text{S}) = \nu(\text{S}) \cdot M(\text{S}) = 2.5 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 80 \text{ г} $

Ответ: для получения 56 л сероводорода необходимо 5 г водорода, объемом 56 л (н.у.), и 80 г серы.

8-9. Вычислите массу железа и массу воды, которые потребуются для получения 179,2 л (н.у.) водорода по методу Лавуазье. Рассчитайте массу железной окалины, которая образуется в ходе реакции.

Дано:

$V(H_2) = 179,2 \text{ л}$

Условия: н.у. (нормальные условия)

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

Перевод в СИ:

$V(H_2) = 179,2 \text{ л} = 0,1792 \text{ м}^3$

$V_m = 22,4 \text{ л/моль} = 0,0224 \text{ м}^3\text{/моль}$

Найти:

$m(Fe) - ?$

$m(H_2O) - ?$

$m(Fe_3O_4) - ?$

Решение:

1. Метод Лавуазье получения водорода заключается во взаимодействии раскаленного железа с водяным паром. Запишем уравнение реакции:

$3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4 + 4H_2$

В ходе реакции образуется железная окалина ($Fe_3O_4$).

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) выделившегося водорода, используя молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ л/моль}$):

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{179,2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 8 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количества веществ железа ($Fe$), воды ($H_2O$) и железной окалины ($Fe_3O_4$):

Из стехиометрических коэффициентов следует:

$n(Fe) : n(H_2O) : n(Fe_3O_4) : n(H_2) = 3 : 4 : 1 : 4$

Следовательно:

$n(Fe) = \frac{3}{4} n(H_2) = \frac{3}{4} \times 8 \text{ моль} = 6 \text{ моль}$

$n(H_2O) = \frac{4}{4} n(H_2) = 1 \times 8 \text{ моль} = 8 \text{ моль}$

$n(Fe_3O_4) = \frac{1}{4} n(H_2) = \frac{1}{4} \times 8 \text{ моль} = 2 \text{ моль}$

4. Вычислим молярные массы веществ, участвующих в расчетах:

$M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$

$M(H_2O) = 2 \times 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$

$M(Fe_3O_4) = 3 \times 56 + 4 \times 16 = 168 + 64 = 232 \text{ г/моль}$

5. Теперь рассчитаем массы требуемых реагентов и образующегося продукта:

$m(Fe) = n(Fe) \times M(Fe) = 6 \text{ моль} \times 56 \text{ г/моль} = 336 \text{ г}$

$m(H_2O) = n(H_2O) \times M(H_2O) = 8 \text{ моль} \times 18 \text{ г/моль} = 144 \text{ г}$

$m(Fe_3O_4) = n(Fe_3O_4) \times M(Fe_3O_4) = 2 \text{ моль} \times 232 \text{ г/моль} = 464 \text{ г}$

Ответ: для реакции потребуется 336 г железа и 144 г воды; в ходе реакции образуется 464 г железной окалины.

8-10. Вычислите массу 10%-ного раствора $H_2SO_4$ и массу $Al$, необходимых для получения

а) 7 моль $H_2$;

б) 10 г $H_2$;

в) 44,8 л (н.у.) $H_2$.

Для решения задачи сначала запишем уравнение реакции взаимодействия алюминия с серной кислотой:

$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2 \uparrow$

Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчетах:

Молярная масса алюминия $M(Al) = 27$ г/моль.

Молярная масса водорода $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2$ г/моль.

Молярная масса серной кислоты $M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98$ г/моль.

Молярный объем газа при нормальных условиях (н.у.) $V_m = 22,4$ л/моль.

Массовая доля серной кислоты в растворе $\omega(H_2SO_4) = 10\% = 0,1$.

а)

Дано:

$\omega(H_2SO_4) = 10\%$

$n(H_2) = 7$ моль

Найти:

$m(Al) - ?$

$m(р-ра H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. По уравнению реакции находим соотношение количеств веществ:

$n(Al) : n(H_2SO_4) : n(H_2) = 2 : 3 : 3$

2. Найдем количество вещества алюминия, необходимое для реакции:

$n(Al) = \frac{2}{3} n(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 7 \text{ моль} = \frac{14}{3}$ моль.

3. Рассчитаем массу алюминия:

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = \frac{14}{3} \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 126$ г.

4. Найдем количество вещества серной кислоты, необходимое для реакции. Из соотношения $n(H_2SO_4) : n(H_2) = 3:3$ следует, что $n(H_2SO_4) = n(H_2)$.

$n(H_2SO_4) = n(H_2) = 7$ моль.

5. Рассчитаем массу чистой серной кислоты:

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 7 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 686$ г.

6. Рассчитаем массу 10%-ного раствора серной кислоты:

$m(р-ра H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{\omega(H_2SO_4)} = \frac{686 \text{ г}}{0,1} = 6860$ г.

Ответ: для получения 7 моль водорода необходимо 126 г алюминия и 6860 г 10%-ного раствора серной кислоты.

б)

Дано:

$\omega(H_2SO_4) = 10\%$

$m(H_2) = 10$ г

Найти:

$m(Al) - ?$

$m(р-ра H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. Найдем количество вещества водорода:

$n(H_2) = \frac{m(H_2)}{M(H_2)} = \frac{10 \text{ г}}{2 \text{ г/моль}} = 5$ моль.

2. По уравнению реакции $2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2$ найдем количество вещества алюминия:

$n(Al) = \frac{2}{3} n(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 5 \text{ моль} = \frac{10}{3}$ моль.

3. Рассчитаем массу алюминия:

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = \frac{10}{3} \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 90$ г.

4. Найдем количество вещества серной кислоты:

$n(H_2SO_4) = n(H_2) = 5$ моль.

5. Рассчитаем массу чистой серной кислоты:

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 5 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 490$ г.

6. Рассчитаем массу 10%-ного раствора серной кислоты:

$m(р-ра H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{\omega(H_2SO_4)} = \frac{490 \text{ г}}{0,1} = 4900$ г.

Ответ: для получения 10 г водорода необходимо 90 г алюминия и 4900 г 10%-ного раствора серной кислоты.

в)

Дано:

$\omega(H_2SO_4) = 10\%$

$V(H_2) = 44,8$ л (н.у.)

Найти:

$m(Al) - ?$

$m(р-ра H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. Найдем количество вещества водорода:

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{44,8 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 2$ моль.

2. По уравнению реакции $2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2$ найдем количество вещества алюминия:

$n(Al) = \frac{2}{3} n(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 2 \text{ моль} = \frac{4}{3}$ моль.

3. Рассчитаем массу алюминия:

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = \frac{4}{3} \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 36$ г.

4. Найдем количество вещества серной кислоты:

$n(H_2SO_4) = n(H_2) = 2$ моль.

5. Рассчитаем массу чистой серной кислоты:

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 2 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 196$ г.

6. Рассчитаем массу 10%-ного раствора серной кислоты:

$m(р-ра H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{\omega(H_2SO_4)} = \frac{196 \text{ г}}{0,1} = 1960$ г.

Ответ: для получения 44,8 л водорода необходимо 36 г алюминия и 1960 г 10%-ного раствора серной кислоты.

8-11. Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, необходимого для восстановления 16 г меди из оксида меди(II). Рассчитайте массу оксида меди, который потребуется для реакции.

Дано:

$m(\text{Cu}) = 16 \text{ г}$

Найти:

$m(\text{H}_2) - ?$

$V(\text{H}_2) \text{ (н.у.)} - ?$

$m(\text{CuO}) - ?$

Решение:

Для решения задачи сначала необходимо выполнить общие расчеты, основанные на уравнении реакции.

1. Составляем уравнение реакции восстановления меди из оксида меди(II) водородом:

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

Уравнение сбалансировано. Из него следует, что вещества реагируют в мольном соотношении 1:1:1.

2. Рассчитываем молярные массы веществ, используя округленные атомные массы: $Ar(\text{Cu})=64$, $Ar(\text{O})=16$, $Ar(\text{H})=1$.

Молярная масса меди: $M(\text{Cu}) = 64 \text{ г/моль}$.

Молярная масса водорода: $M(\text{H}_2) = 2 \times 1 = 2 \text{ г/моль}$.

Молярная масса оксида меди(II): $M(\text{CuO}) = 64 + 16 = 80 \text{ г/моль}$.

3. Находим количество вещества (моль) меди, которую нужно получить:

$n(\text{Cu}) = \frac{m(\text{Cu})}{M(\text{Cu})} = \frac{16 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} = 0.25 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определяем количество вещества реагентов:

$n(\text{H}_2) = n(\text{Cu}) = 0.25 \text{ моль}$

$n(\text{CuO}) = n(\text{Cu}) = 0.25 \text{ моль}$

Теперь, имея эти данные, можно рассчитать требуемые величины.

Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, необходимого для восстановления 16 г меди из оксида меди(II).

Зная количество вещества водорода ($n(\text{H}_2) = 0.25 \text{ моль}$), находим его массу:

$m(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \times M(\text{H}_2) = 0.25 \text{ моль} \times 2 \text{ г/моль} = 0.5 \text{ г}$

Объем водорода при нормальных условиях (н.у.) рассчитывается с использованием молярного объема газов ($V_m = 22.4 \text{ л/моль}$):

$V(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \times V_m = 0.25 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} = 5.6 \text{ л}$

Ответ: для реакции необходима масса водорода 0.5 г, что при нормальных условиях составляет объем 5.6 л.

Рассчитайте массу оксида меди, который потребуется для реакции.

Зная количество вещества оксида меди(II) ($n(\text{CuO}) = 0.25 \text{ моль}$), находим его массу:

$m(\text{CuO}) = n(\text{CuO}) \times M(\text{CuO}) = 0.25 \text{ моль} \times 80 \text{ г/моль} = 20 \text{ г}$

Ответ: для реакции потребуется 20 г оксида меди(II).

8-12. Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, который потребуется для восстановления 140 г железа из оксида железа(III). Рассчитайте массу оксида железа(III), который потребуется для реакции.

Дано:

$m(Fe) = 140 \text{ г}$

$m(Fe) = 0.140 \text{ кг}$

Найти:

$m(H_2) - ?$

$V(H_2) (\text{н.у.}) - ?$

$m(Fe_2O_3) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции восстановления железа из оксида железа(III) водородом. Оксид железа(III) имеет формулу $Fe_2O_3$. Реакция протекает при нагревании:

$Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, используя относительные атомные массы из периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, округленные до целых чисел: $Ar(Fe) = 56$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Молярная масса железа ($Fe$):

$M(Fe) = 56 \text{ г/моль}$

Молярная масса молекулярного водорода ($H_2$):

$M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$

Молярная масса оксида железа(III) ($Fe_2O_3$):

$M(Fe_2O_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 112 + 48 = 160 \text{ г/моль}$

3. Вычислим количество вещества (число молей) полученного железа массой 140 г:

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{140 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 2.5 \text{ моль}$

4. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем количество вещества водорода ($H_2$) и оксида железа(III) ($Fe_2O_3$), которые потребовались для реакции. Из уравнения видно, что соотношение количеств веществ следующее:

$n(Fe_2O_3) : n(H_2) : n(Fe) = 1 : 3 : 2$

Количество вещества водорода:

$\frac{n(H_2)}{n(Fe)} = \frac{3}{2} \implies n(H_2) = \frac{3}{2} \cdot n(Fe) = \frac{3}{2} \cdot 2.5 \text{ моль} = 3.75 \text{ моль}$

Количество вещества оксида железа(III):

$\frac{n(Fe_2O_3)}{n(Fe)} = \frac{1}{2} \implies n(Fe_2O_3) = \frac{1}{2} \cdot n(Fe) = \frac{1}{2} \cdot 2.5 \text{ моль} = 1.25 \text{ моль}$

5. Теперь рассчитаем искомые массу и объем водорода, а также массу оксида железа(III).

Масса водорода:

$m(H_2) = n(H_2) \cdot M(H_2) = 3.75 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 7.5 \text{ г}$

Объем водорода при нормальных условиях (н.у.). Молярный объем любого газа при н.у. составляет $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$:

$V(H_2) = n(H_2) \cdot V_m = 3.75 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 84 \text{ л}$

Масса оксида железа(III):

$m(Fe_2O_3) = n(Fe_2O_3) \cdot M(Fe_2O_3) = 1.25 \text{ моль} \cdot 160 \text{ г/моль} = 200 \text{ г}$

Ответ: для восстановления 140 г железа потребуется 7.5 г водорода, объем которого при нормальных условиях составляет 84 л. Масса оксида железа(III), необходимая для реакции, равна 200 г.

8-13. Вычислите массу и объем (н.у.) водорода, который потребуется для восстановления 560 мг железа из железной окалины $Fe_3O_4$. Рассчитайте массу железной окалины, которая потребуется для реакции.

Дано:

$m(\text{Fe}) = 560 \text{ мг}$

Условия нормальные (н.у.)

Перевод в СИ:

$m(\text{Fe}) = 560 \text{ мг} = 0.560 \text{ г}$

Найти:

$m(\text{H}_2) - ?$

$V(\text{H}_2) \text{ (н.у.)} - ?$

$m(\text{Fe}_3\text{O}_4) - ?$

Решение:

Для решения задачи сначала проведем общие расчеты, которые понадобятся для нахождения всех искомых величин.

1. Запишем уравнение реакции восстановления железа из железной окалины (оксида железа(II,III)) водородом:

$\text{Fe}_3\text{O}_4 + 4\text{H}_2 \xrightarrow{t} 3\text{Fe} + 4\text{H}_2\text{O}$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, используя относительные атомные массы из периодической таблицы химических элементов (Ar(Fe) = 56, Ar(H) = 1, Ar(O) = 16):

$M(\text{Fe}) = 56 \text{ г/моль}$

$M(\text{H}_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$

$M(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (в молях) железа, которое образовалось в результате реакции:

$n(\text{Fe}) = \frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})} = \frac{0.560 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0.01 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определим стехиометрические соотношения количеств веществ:

$\frac{n(\text{Fe}_3\text{O}_4)}{1} = \frac{n(\text{H}_2)}{4} = \frac{n(\text{Fe})}{3}$

Это соотношение является основой для дальнейших вычислений.

Вычислите массу и объем (н.у.) водорода

Из стехиометрического соотношения найдем количество вещества водорода:

$n(\text{H}_2) = \frac{4}{3} n(\text{Fe}) = \frac{4}{3} \cdot 0.01 \text{ моль} = \frac{0.04}{3} \text{ моль}$

Рассчитаем массу водорода:

$m(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \cdot M(\text{H}_2) = \frac{0.04}{3} \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = \frac{0.08}{3} \text{ г} \approx 0.0267 \text{ г}$

Рассчитаем объем водорода при нормальных условиях (н.у.), используя молярный объем идеального газа $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$:

$V(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \cdot V_m = \frac{0.04}{3} \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = \frac{0.896}{3} \text{ л} \approx 0.299 \text{ л}$

Ответ: масса водорода, который потребуется для реакции, составляет 26.7 мг (0.0267 г); объем водорода (н.у.) составляет 299 мл (0.299 л).

Рассчитайте массу железной окалины

Из стехиометрического соотношения найдем количество вещества железной окалины:

$n(\text{Fe}_3\text{O}_4) = \frac{1}{3} n(\text{Fe}) = \frac{1}{3} \cdot 0.01 \text{ моль} = \frac{0.01}{3} \text{ моль}$

Рассчитаем массу железной окалины:

$m(\text{Fe}_3\text{O}_4) = n(\text{Fe}_3\text{O}_4) \cdot M(\text{Fe}_3\text{O}_4) = \frac{0.01}{3} \text{ моль} \cdot 232 \text{ г/моль} = \frac{2.32}{3} \text{ г} \approx 0.773 \text{ г}$

Ответ: масса железной окалины, которая потребуется для реакции, составляет 773 мг (0.773 г).