Номер 1, страница 116 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Поясните, как при помощи анализа и синтеза можно установить качественный и количественный состав воды и вывести её химическую формулу.

Для установления качественного и количественного состава воды и вывода её химической формулы используют два противоположных, но взаимодополняющих метода: анализ и синтез.

Анализ воды (разложение)

Анализ — это метод, при котором сложное вещество разлагается на более простые компоненты. Для воды применяют электролиз — разложение под действием электрического тока.

Установление качественного состава: Через воду, в которую для электропроводности добавлена небольшая порция кислоты или щелочи, пропускают постоянный электрический ток. На электродах начинают выделяться газы. Газ, собранный у катода (отрицательного электрода), идентифицируют как водород ($H_2$) по характерному хлопку при поднесении пламени. Газ, собранный у анода (положительного электрода), заставляет тлеющую лучинку ярко вспыхнуть, что доказывает, что это кислород ($O_2$). Таким образом, качественный анализ показывает, что вода состоит из элементов водорода и кислорода.

Установление количественного состава: В ходе электролиза в специальном приборе (вольтаметре Гофмана) измеряют объемы выделившихся газов. Экспериментально установлено, что объем водорода всегда в два раза больше объема кислорода: $V(H_2) : V(O_2) = 2 : 1$. Уравнение реакции разложения: $2H_2O \xrightarrow{электрический \ ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$.

Синтез воды (соединение)

Синтез — это метод получения сложного вещества из более простых. Состав воды можно подтвердить, синтезируя её из водорода и кислорода. Эксперимент по сжиганию водорода в кислороде (например, в эвдиометре) показывает, что для образования воды газы реагируют в строгом объемном соотношении: два объема водорода соединяются с одним объемом кислорода. Уравнение реакции синтеза: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Этот результат полностью подтверждает данные, полученные при анализе.

Вывод химической формулы

Результаты анализа и синтеза показывают, что водород и кислород участвуют в образовании воды в объемном соотношении $2:1$. Согласно закону Авогадро (при одинаковых условиях равные объемы различных газов содержат равное число молекул), это означает, что и количество молекул водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$) находится в соотношении $2:1$. Так как каждая молекула водорода содержит 2 атома H, а каждая молекула кислорода — 2 атома O, то соотношение атомов в образовавшейся воде будет: $(2 \text{ молекулы } H_2 \times 2 \text{ атома H}) : (1 \text{ молекула } O_2 \times 2 \text{ атома O}) = 4 \text{ атома H} : 2 \text{ атома O}$, что упрощается до соотношения $2:1$.

Таким образом, на каждый 1 атом кислорода в молекуле воды приходится 2 атома водорода. Это позволяет записать простейшую (эмпирическую) формулу воды как $H_2O$. Для подтверждения, что это и истинная (молекулярная) формула, сравнивают молярную массу, рассчитанную по формуле ($M_r(H_2O) = 2 \cdot A_r(H) + 1 \cdot A_r(O) \approx 2 \cdot 1 + 16 = 18$), с экспериментально найденной молярной массой воды (также около 18 г/моль). Совпадение масс подтверждает, что химическая формула воды — $H_2O$.

Ответ: Качественный состав воды (состоит из водорода и кислорода) устанавливают методом анализа (электролиз) и идентификации продуктов реакции (качественные реакции на $H_2$ и $O_2$). Количественный состав устанавливают как анализом, так и синтезом, измеряя объемы газов, которые участвуют в реакции. Оба метода показывают, что объемное соотношение водорода и кислорода равно $2:1$. На основе этого соотношения и закона Авогадро выводится, что на 2 атома водорода приходится 1 атом кислорода, что приводит к химической формуле $H_2O$.