Опыт 3, страница 108 - гдз по химии 8 класс учебник Оспанова, Аухадиева

Опыт 3. Выделяющийся водород из газоотводной трубки пропустите через кристаллизатор с мыльным раствором. Объясните, почему пузырьки с водородом поднимаются вверх. Сделайте вывод.

Решение

При пропускании водорода через мыльный раствор образуются мыльные пузыри, наполненные этим газом. Наблюдение показывает, что эти пузыри, в отличие от пузырей, выдуваемых человеком (наполненных выдыхаемым воздухом), не опускаются на землю, а устремляются вверх.

Причина, по которой пузырьки с водородом поднимаются вверх, заключается в их плотности, которая значительно ниже плотности окружающего воздуха. Это явление описывается законом Архимеда, который применим не только к жидкостям, но и к газам.

На каждый пузырек, находящийся в воздухе, действуют две основные силы:

1. Сила тяжести ($F_g$), направленная вертикально вниз. Она равна весу самого пузырька, который складывается из веса водорода внутри него и веса тонкой мыльной пленки. $F_g = (m_{H_2} + m_{пленки}) \cdot g$.
2. Выталкивающая сила или сила Архимеда ($F_A$), направленная вертикально вверх. Она равна весу воздуха, вытесненного объемом пузырька. $F_A = \rho_{воздуха} \cdot g \cdot V$.

Пузырек будет подниматься вверх, если выталкивающая сила больше силы тяжести: $F_A > F_g$.

Ключевым фактором является большая разница в плотности водорода и воздуха. Молярная масса водорода ($H_2$) составляет примерно $2 \, \text{г/моль}$, в то время как средняя молярная масса воздуха (смеси преимущественно азота и кислорода) составляет около $29 \, \text{г/моль}$. Поскольку при одинаковых условиях (температуре и давлении) плотность газа прямо пропорциональна его молярной массе, водород примерно в $14.5$ раз легче (менее плотный), чем воздух.

Плотность водорода при нормальных условиях ($\rho_{H_2}$) составляет около $0.09 \, \text{кг/м}^3$, а плотность воздуха ($\rho_{воздуха}$) — около $1.29 \, \text{кг/м}^3$. Из-за такой существенной разницы в плотностях выталкивающая сила, действующая на пузырек, значительно превышает силу тяжести, действующую на содержащийся в нем водород. Масса самой мыльной пленки пренебрежимо мала по сравнению с этой разницей, поэтому суммарная сила тяжести пузырька оказывается меньше выталкивающей силы, что и заставляет его всплывать.

Вывод:

Данный опыт наглядно демонстрирует, что водород является газом, который значительно легче (имеет меньшую плотность) воздуха. Именно это свойство заставляет наполненные им мыльные пузыри подниматься вверх.

Ответ: Пузырьки с водородом поднимаются вверх, потому что водород — газ, плотность которого значительно меньше плотности воздуха. Согласно закону Архимеда, на пузырек действует выталкивающая сила, превышающая его вес (силу тяжести), что и заставляет его всплывать. Эксперимент доказывает, что водород легче воздуха.