Страница 101 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Дайте общую характеристику элемента водорода. Приведите примеры соединений, содержащих водород, и напишите их формулы.

Дайте общую характеристику элемента водорода. Приведите примеры соединений, содержащих водород, и напишите их формулы.

Решение:

Водород (лат. Hydrogenium) — химический элемент с атомным номером 1, расположенный в первом периоде Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Его химический символ — H. Это самый распространенный элемент во Вселенной.

Общая характеристика элемента:
Положение в Периодической системе: Водород занимает уникальное двойственное положение. Его относят к I группе, так как он имеет один валентный электрон ($1s^1$), подобно щелочным металлам. В то же время его можно отнести и к VII группе, так как ему, как и галогенам, не хватает одного электрона до завершения электронной оболочки.
Строение атома: Атом водорода — простейший из всех. Он состоит из ядра (один протон) и одного электрона. Электронная конфигурация — $1s^1$. Относительная атомная масса ≈ 1,008.
Изотопы: Основные изотопы водорода — это протий ($^1H$, без нейтронов), дейтерий ($^2H$ или D, один нейтрон) и радиоактивный тритий ($^3H$ или T, два нейтрона).
Простое вещество: В свободном состоянии водород образует двухатомную молекулу $H_2$ — бесцветный, легчайший газ без запаха и вкуса.
Химические свойства: Водород проявляет окислительно-восстановительную двойственность. Типичные степени окисления: +1 в соединениях с неметаллами (например, в $H_2O$, $HCl$); -1 в гидридах металлов (например, в $NaH$, $CaH_2$); 0 в простом веществе $H_2$.

Примеры соединений, содержащих водород, и их формулы:
Вода: $H_2O$.
Кислоты: соляная кислота ($HCl$), серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$).
Основания: гидроксид натрия ($NaOH$), гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$).
Гидриды: гидрид натрия ($NaH$), гидрид кальция ($CaH_2$).
Органические соединения: метан ($CH_4$), этанол ($C_2H_5OH$), глюкоза ($C_6H_{12}O_6$).
Летучие водородные соединения: аммиак ($NH_3$), сероводород ($H_2S$).

Ответ: Водород (H) — первый элемент периодической системы с атомным номером 1. Он обладает уникальным положением в таблице и двойственными окислительно-восстановительными свойствами (степени окисления +1, -1, 0). Водород — самый распространенный элемент во Вселенной и входит в состав огромного числа неорганических и органических соединений. Примеры соединений и их формулы: вода ($H_2O$), соляная кислота ($HCl$), гидрид натрия ($NaH$), метан ($CH_4$), аммиак ($NH_3$).

2. Поясните, что означают записи: $5H$, $2H_2$, $6H$, $3H_2$.

В химии для обозначения количества атомов и молекул используются коэффициенты и индексы.

• Коэффициент — это цифра, которая ставится перед химической формулой или символом элемента. Он указывает на число отдельных частиц (атомов или молекул).
• Индекс — это цифра, которая ставится после символа элемента внизу справа. Он указывает на число атомов данного элемента в одной молекуле.

5H

Эта запись означает, что у нас есть 5 отдельных, не связанных друг с другом, атомов водорода (H). Цифра 5 является коэффициентом.

Ответ: 5H — это пять отдельных атомов водорода.

2H₂

Здесь H₂ — это одна молекула водорода. Индекс 2 показывает, что она состоит из двух атомов водорода, соединенных химической связью. Коэффициент 2 перед H₂ означает, что у нас есть две такие молекулы.
Общее число атомов водорода составляет $2 \times 2 = 4$ атома.

Ответ: 2H₂ — это две молекулы водорода, каждая из которых состоит из двух атомов.

6H

Эта запись аналогична 5H. Она означает, что есть 6 отдельных, не связанных химически, атомов водорода (H). Цифра 6 — это коэффициент.

Ответ: 6H — это шесть отдельных атомов водорода.

3H₂

Эта запись аналогична 2H₂. H₂ — это молекула водорода, состоящая из двух атомов. Коэффициент 3 указывает на то, что у нас есть три таких молекулы.
Общее число атомов водорода составляет $3 \times 2 = 6$ атомов.

Ответ: 3H₂ — это три молекулы водорода, каждая из которых состоит из двух атомов.

3. В каком виде водород встречается в природе? Сравните массовые доли водорода в воде $H_2O$ и в метане $CH_4$.

В каком виде водород встречается в природе?

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Однако на Земле в свободном виде, как простое вещество ($H_2$), он встречается крайне редко, например, в составе вулканических газов и в верхних слоях атмосферы. Причина в его чрезвычайной легкости: молекулы водорода быстро покидают атмосферу Земли.

Поэтому в природе водород находится преимущественно в химически связанном состоянии, входя в состав огромного количества соединений:

1. Вода ($H_2O$) — самое распространенное соединение водорода на нашей планете. Вода покрывает около 71% земной поверхности и является основой всех живых организмов.

2. Органические соединения. Водород — обязательный компонент всех органических веществ. Он содержится в углеводородах (природный газ, основной компонент которого — метан $CH_4$; нефть), а также в белках, жирах и углеводах, из которых состоят все живые существа.

3. Минералы и горные породы. Атомы водорода входят в состав некоторых минералов, например, глин.

Ответ: В природе водород встречается в основном в связанном виде, прежде всего в составе воды, а также органических веществ (нефть, природный газ, живые организмы) и некоторых минералов. В свободном виде ($H_2$) на Земле практически не встречается.

Сравните массовые доли водорода в воде H₂O и в метане CH₄.

Дано:

Найти:

Решение:

Массовая доля элемента ($ \omega $) в химическом соединении рассчитывается по формуле:

$ \omega(\text{элемента}) = \frac{n \cdot Ar(\text{элемента})}{Mr(\text{соединения})} $

где $n$ — количество атомов данного элемента в одной формульной единице вещества, $Ar(\text{элемента})$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr(\text{соединения})$ — относительная молекулярная масса соединения.

1. Расчет для воды ($H_2O$)

Сначала вычислим относительную молекулярную массу воды:

$Mr(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$

Теперь найдем массовую долю водорода в воде:

$\omega(H \text{ в } H_2O) = \frac{2 \cdot Ar(H)}{Mr(H_2O)} = \frac{2 \cdot 1}{18} = \frac{1}{9} \approx 0,111$

В процентах это составляет $0,111 \cdot 100\% = 11,1\%$.

2. Расчет для метана ($CH_4$)

Вычислим относительную молекулярную массу метана:

$Mr(CH_4) = 1 \cdot Ar(C) + 4 \cdot Ar(H) = 1 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 16$

Найдем массовую долю водорода в метане:

$\omega(H \text{ в } CH_4) = \frac{4 \cdot Ar(H)}{Mr(CH_4)} = \frac{4 \cdot 1}{16} = \frac{1}{4} = 0,25$

В процентах это составляет $0,25 \cdot 100\% = 25\%$.

3. Сравнение

Сравним полученные значения массовых долей водорода:

$25\% (\text{в метане}) > 11,1\% (\text{в воде})$

Ответ: Массовая доля водорода в воде составляет приблизительно $11,1\%$, а в метане — $25\%$. Следовательно, массовая доля водорода в метане больше, чем в воде.

4. Составьте уравнения реакций, в результате которых можно получить водород. Укажите, к какому типу относятся эти реакции.

Решение

Водород можно получить несколькими способами. Ниже приведены примеры уравнений реакций и указаны их типы.

1. Взаимодействие металлов с кислотами

Водород выделяется при реакции металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений до водорода, с растворами кислот (например, с соляной или разбавленной серной кислотой). В ходе реакции металл вытесняет водород из кислоты.

Пример реакции цинка с соляной кислотой:

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

Эта реакция относится к типу реакций замещения, так как атомы простого вещества (цинк) замещают атомы одного из элементов в сложном веществе (водорода в соляной кислоте). Также эта реакция является окислительно-восстановительной.

Ответ: уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$; тип реакции: замещение.

2. Взаимодействие активных металлов с водой

Щелочные (Li, Na, K) и некоторые щелочноземельные (Ca, Sr, Ba) металлы активно реагируют с водой при комнатной температуре, образуя щелочь и выделяя водород.

Пример реакции калия с водой:

$2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$

Эта реакция также является реакцией замещения, так как атомы калия замещают один из двух атомов водорода в молекуле воды. Это также окислительно-восстановительная реакция.

Ответ: уравнение реакции: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$; тип реакции: замещение.

3. Электролиз воды

В лаборатории и промышленности водород можно получать разложением воды под действием электрического тока. Для повышения электропроводности в воду обычно добавляют небольшое количество щелочи или кислоты.

Уравнение реакции электролиза воды:

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

Эта реакция относится к типу реакций разложения, поскольку из одного сложного вещества (воды) образуются два новых простых вещества (водород и кислород). Это также окислительно-восстановительная реакция.

Ответ: уравнение реакции: $2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$; тип реакции: разложение.

5. Водород можно получить при взаимодействии алюминия с раствором соляной или серной кислоты. Составьте уравнения этих реакций.

В задаче требуется составить уравнения двух химических реакций: взаимодействия алюминия с соляной кислотой и взаимодействия алюминия с серной кислотой.

Взаимодействие алюминия с соляной кислотой

Алюминий (Al) — это металл, который в электрохимическом ряду напряжений стоит левее водорода. Это означает, что он более активен и способен вытеснять водород из растворов кислот. При взаимодействии алюминия с соляной кислотой (HCl) происходит реакция замещения. В результате этой реакции образуется соль — хлорид алюминия ($AlCl_3$), где алюминий имеет степень окисления +3, и выделяется газообразный водород ($H_2$). Для правильной записи уравнения необходимо сбалансировать количество атомов каждого элемента в левой (реагенты) и правой (продукты) частях.

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

Взаимодействие алюминия с серной кислотой

Аналогичная реакция замещения происходит при взаимодействии алюминия с раствором серной кислоты ($H_2SO_4$). Продуктами этой реакции являются соль — сульфат алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) и водород ($H_2$). В формуле сульфата алюминия два иона алюминия (Al³⁺) с общим зарядом +6 сбалансированы тремя сульфат-ионами (SO₄²⁻) с общим зарядом -6. Уравнение также требует расстановки стехиометрических коэффициентов для соблюдения закона сохранения массы.

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

1. Самый распространённый элемент во Вселенной – это

1) $He$

2) $Ar$

3) $H$

4) $O$

Для определения самого распространенного элемента во Вселенной следует обратиться к данным космологии и астрофизики. Распространенность химических элементов является прямым следствием процессов их образования, начавшихся с Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, в первые минуты после зарождения Вселенной проходил процесс первичного нуклеосинтеза, в ходе которого из протонов и нейтронов образовались ядра легчайших элементов.

Водород (H), будучи простейшим элементом (его ядро состоит из одного протона), стал основным "строительным материалом" Вселенной. Подавляющее большинство протонов не объединилось с другими частицами, а позже захватило по электрону, образовав атомы водорода. По современным оценкам, водород составляет около 75% от всей барионной (обычной) массы Вселенной.

Гелий (He) — второй по распространенности элемент. Он образовался как в ходе первичного нуклеосинтеза, так и в результате термоядерного синтеза в недрах звезд. Его доля составляет примерно 24% от массы Вселенной.

Все остальные элементы, включая кислород (O) и аргон (Ar), называемые в астрономии "металлами", образовались значительно позже в результате ядерных реакций внутри звезд и при их взрывах (например, как сверхновые). Их суммарная доля во Вселенной составляет всего около 1-2%. Кислород является третьим по распространенности элементом, но его содержание несравнимо меньше, чем у водорода и гелия. Аргон еще более редкий элемент.

Следовательно, из предложенных вариантов самым распространенным элементом во Вселенной является водород.

Ответ: 3) H

2. О водороде как о простом веществе говорится в утверждении

1) водород входит в состав соляной кислоты

2) водород — это практически нерастворимый в воде газ

3) водород входит в состав метана $CH_4$

4) из водорода и кислорода состоит вода

Решение

Для правильного ответа необходимо различать понятия "химический элемент" и "простое вещество".

• О химическом элементе говорят, когда имеют в виду атомы определенного вида, например, при описании состава сложного вещества (например, "элемент кислород входит в состав воды").
• О простом веществе говорят, когда описывают его физические свойства (агрегатное состояние, цвет, запах, растворимость, плотность) или химические свойства (способность вступать в реакции). Простое вещество состоит из атомов только одного химического элемента (например, "простое вещество кислород $O_2$ — это газ, поддерживающий горение").

Проанализируем предложенные утверждения с этой точки зрения:

1) водород входит в состав соляной кислоты

В этом утверждении речь идет о водороде как о химическом элементе, который является частью сложного вещества — соляной кислоты, имеющей формулу $HCl$. Здесь описывается состав вещества, а не свойства простого вещества.

2) водород — это практически нерастворимый в воде газ

В этом утверждении описываются физические свойства: агрегатное состояние (газ) и растворимость в воде. Эти свойства характеризуют именно простое вещество водород ($H_2$). Следовательно, в данном случае о водороде говорится как о простом веществе.

3) водород входит в состав метана $CH_4$

Аналогично первому пункту, здесь водород упоминается как химический элемент, который входит в состав молекулы сложного вещества — метана ($CH_4$).

4) из водорода и кислорода состоит вода

В этом утверждении говорится об элементном составе воды ($H_2O$). Имеется в виду, что молекула воды состоит из атомов химических элементов водорода и кислорода, а не из смеси простых веществ водорода и кислорода.

Таким образом, единственное утверждение, в котором речь идет о водороде как о простом веществе, — второе.

Ответ: 2

3. Две молекулы водорода обозначает запись

1) $4H$

2) $2H_2$

3) $4H_2$

4) $2H$

В химических формулах для обозначения состава и количества веществ используются специальные символы, индексы и коэффициенты.

• Химический символ — это буквенное обозначение химического элемента. Для водорода это H.
• Индекс — это число, которое пишется справа внизу от символа элемента в химической формуле. Он показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав одной молекулы. Молекула водорода состоит из двух атомов, поэтому её формула — $H_2$.
• Коэффициент — это число, которое ставится перед химической формулой. Он показывает количество отдельных молекул или атомов данного вещества.

В задаче требуется найти запись, которая обозначает две молекулы водорода. Это означает, что нам нужна формула молекулы водорода ($H_2$), перед которой стоит коэффициент 2. Таким образом, правильная запись — $2H_2$.

Рассмотрим все предложенные варианты:

1) 4H

Эта запись обозначает четыре отдельных, не связанных в молекулу, атома водорода.

2) 2H₂

Эта запись обозначает две (коэффициент 2) молекулы водорода, где каждая молекула ($H_2$) состоит из двух атомов. Это полностью соответствует условию задачи.

3) 4H₂

Эта запись обозначает четыре молекулы водорода.

4) 2H

Эта запись обозначает два отдельных, не связанных в молекулу, атома водорода.

Ответ: 2) $2H_2$.

4. Реакция $Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2$ относится к реакциям

1) соединения

2) разложения

3) замещения

4) обмена

Решение

Чтобы определить тип химической реакции $Mg + 2HCl = MgCl_2 + H_2$, необходимо проанализировать состав исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции.

В данной реакции участвуют:

• Простое вещество — магний ($Mg$).
• Сложное вещество — соляная кислота ($HCl$).

• Новое сложное вещество — хлорид магния ($MgCl_2$).
• Новое простое вещество — водород ($H_2$).

Теперь рассмотрим определения типов реакций:

1) соединения — это реакция, в результате которой из двух или нескольких веществ образуется одно, более сложное вещество. Это не соответствует нашей реакции, так как образуется два продукта.

2) разложения — это реакция, в результате которой из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ. Это не соответствует нашей реакции, так как в реакцию вступают два вещества.

3) замещения — это реакция между простым и сложным веществами, в ходе которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. В нашем случае атомы магния ($Mg$) замещают атомы водорода ($H$) в молекуле соляной кислоты ($HCl$). Это полностью соответствует данному определению.

4) обмена — это реакция, в которую вступают два сложных вещества и обмениваются своими составными частями. Это не соответствует нашей реакции, так как один из реагентов ($Mg$) является простым веществом.

Таким образом, представленная реакция является реакцией замещения.

Ответ: 3) замещения

5. Массовая доля водорода в серной кислоте $H_2SO_4$ составляет

1) 32,65%

2) 65,31%

3) 2,04%

4) 0,20%

Дано:

Соединение: серная кислота ($H_2SO_4$)

Для расчета используются относительные атомные массы элементов, округленные до целых значений:

$Ar(H) = 1$

$Ar(S) = 32$

$Ar(O) = 16$

Найти:

Массовую долю водорода ($\omega(H)$) в серной кислоте.

Решение:

Массовая доля элемента в веществе — это отношение массы всех атомов этого элемента в одной формульной единице вещества к относительной молекулярной (или формульной) массе этого вещества. Рассчитывается по формуле:

$\omega(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(\text{вещества})} \cdot 100\%$

где $n$ — число атомов элемента в молекуле, $Ar(Э)$ — его относительная атомная масса, а $Mr(\text{вещества})$ — относительная молекулярная масса вещества.

1. Сначала вычислим относительную молекулярную массу серной кислоты ($H_2SO_4$):

$Mr(H_2SO_4) = 2 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(S) + 4 \cdot Ar(O)$

$Mr(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 2 + 32 + 64 = 98$

2. Далее рассчитаем массовую долю водорода ($H$). В одной молекуле серной кислоты содержится 2 атома водорода ($n=2$).

$\omega(H) = \frac{2 \cdot Ar(H)}{Mr(H_2SO_4)} \cdot 100\%$

$\omega(H) = \frac{2 \cdot 1}{98} \cdot 100\% = \frac{2}{98} \cdot 100\% \approx 0.020408 \cdot 100\% \approx 2,04\%$

Полученное значение совпадает с вариантом ответа 3).

Ответ: 3) 2,04%

Используя Интернет и другие источники информации, ознакомьтесь с биографиями Генри Кавендиша и Теофраста Парацельса.

Генри Кавендиш

Генри Кавендиш (10 октября 1731 — 24 февраля 1810) — британский физик и химик, член Лондонского королевского общества. Он был известен как один из величайших ученых своего времени, но при этом был крайне застенчивым, эксцентричным и вёл уединённый образ жизни. Большую часть своих работ он не публиковал, и многие его открытия были оценены по достоинству лишь спустя столетие.

Кавендиш родился в Ницце в аристократической семье. Он учился в Кембриджском университете, но покинул его, не получив учёной степени. Получив огромное наследство, он смог полностью посвятить себя научным исследованиям, оборудовав собственную лабораторию.

Основные научные достижения:

• Открытие водорода (1766): Кавендиш был первым, кто систематически исследовал газ, выделяющийся при действии кислот на металлы. Он назвал его "горючим воздухом", определил его плотность и другие свойства, установив, что это самостоятельное вещество. Позже Антуан Лавуазье дал этому газу название "водород".

• Определение состава воды (1784): Проводя опыты по сжиганию "горючего воздуха" в "дефлогистированном воздухе" (кислороде), Кавендиш доказал, что вода является не элементом, как считалось ранее, а соединением двух газов — водорода и кислорода.

• Эксперимент Кавендиша (1797–1798): С помощью сконструированных им крутильных весов он провёл знаменитый эксперимент по определению средней плотности Земли. Результаты этого опыта позволили впоследствии вычислить гравитационную постоянную $G$, что стало фундаментальным вкладом в ньютоновскую теорию тяготения. Этот эксперимент часто называют "взвешиванием Земли".

• Работы по электричеству: В своих неопубликованных рукописях Кавендиш предвосхитил многие фундаментальные законы электричества, включая закон Ома, закон Кулона и принципы электростатики, которые были переоткрыты другими учёными десятилетия спустя.

Ответ: Генри Кавендиш — выдающийся британский учёный, известный своим открытием водорода, установлением сложного состава воды и знаменитым экспериментом по определению плотности Земли (эксперимент Кавендиша), который позволил вычислить гравитационную постоянную.

Теофраст Парацельс

Теофраст Парацельс (настоящее имя — Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, ок. 1493 — 24 сентября 1541) — швейцарский врач, алхимик, философ и естествоиспытатель эпохи Возрождения. Он был одной из самых ярких и противоречивых фигур своего времени, бросивший вызов устоявшимся медицинским догмам и заложивший основы современной фармакологии. Псевдоним "Парацельс" он взял себе сам, что означает "превосходящий Цельса" (древнеримского медика).

Парацельс много путешествовал по Европе, собирая знания не только из книг, но и у рудокопов, цирюльников, знахарей и алхимиков. Он отвергал слепое следование авторитетам древности, таким как Гален и Авиценна, и призывал опираться на опыт и наблюдение.

Ключевые идеи и вклад в науку:

• Основоположник токсикологии: Ему принадлежит знаменитая фраза: "Всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза". Этот принцип стал краеугольным камнем современной токсикологии и фармакологии.

• Ятрохимия (химия в медицине): Парацельс считал, что главная задача алхимии — не получение золота, а создание лекарств. Он был пионером в использовании химических веществ и соединений (солей ртути, сурьмы, свинца, мышьяка) для лечения болезней. Он утверждал, что организм человека — это химическая система, и болезни возникают из-за нарушения химического баланса, который можно исправить с помощью специфических лекарств.

• Новая концепция болезни: В отличие от господствовавшей гуморальной теории Галена (болезнь как дисбаланс четырёх жидкостей в теле), Парацельс рассматривал каждую болезнь как самостоятельную сущность, вызванную внешними причинами и поражающую определённый орган. Это было шагом к пониманию специфичности заболеваний.

• Учение о трёх принципах (Tria Prima): В основе его натурфилософии лежало алхимическое учение о трёх началах — Ртути (философской), Серы и Соли, из которых состоит всё сущее, включая человека (микрокосм) и Вселенную (макрокосм).

Ответ: Парацельс — швейцарский врач, алхимик и философ эпохи Возрождения. Он считается одним из основоположников современной фармакологии и токсикологии, выдвинув принцип "всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза". Он ввёл в медицинскую практику химические препараты и, отвергая учение древних, призывал к эмпирическому подходу в лечении болезней.