Страница 106 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Один цилиндр заполнен водородом, а другой — кислородом. Как определить, в каком цилиндре находится каждый из газов?

Решение

Чтобы определить, в каком из цилиндров находится водород ($H_2$), а в каком — кислород ($O_2$), можно воспользоваться их различными химическими свойствами, а именно их отношением к процессу горения. Кислород является сильным окислителем и поддерживает горение, в то время как водород сам является горючим газом.

Для идентификации газов необходимо провести следующий эксперимент:

1. Из каждого цилиндра следует отобрать небольшую пробу газа (например, наполнив ими две отдельные пробирки методом вытеснения воды).
2. Для проверки на кислород необходимо взять деревянную лучинку, поджечь её, а затем потушить, чтобы она продолжала тлеть. Эту тлеющую лучинку нужно внести в сосуд с первым газом. Если лучинка вспыхивает и загорается ярким пламенем, это доказывает наличие кислорода.
3. Для проверки на водород необходимо поднести горящую лучинку (с открытым пламенем) к сосуду со вторым газом. Если при этом раздастся характерный резкий хлопок (так называемый "лающий звук"), это свидетельствует о наличии водорода. Хлопок возникает из-за быстрой реакции горения водорода с кислородом из воздуха, в результате которой образуется вода. Эту реакцию можно описать уравнением:

$2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(г)$

Таким образом, по-разному реагируя на внесение тлеющей или горящей лучинки, газы могут быть однозначно идентифицированы.

Ответ: Нужно поочередно поднести к отверстию каждого цилиндра (или к пробирке с отобранной пробой газа) сначала тлеющую, а затем горящую лучинку. В цилиндре с кислородом тлеющая лучинка ярко вспыхнет. В цилиндре с водородом горящая лучинка вызовет характерный хлопок.

2. Как перелить из одного сосуда в другой

а) водород;

б) кислород?

Способ "переливания" газа из одного сосуда в другой зависит от его плотности по сравнению с плотностью воздуха. Плотность газа при одинаковых условиях (температуре и давлении) пропорциональна его молярной массе. Средняя молярная масса воздуха составляет примерно $29$ г/моль.

Молярная масса водорода ($H_2$) составляет около $2$ г/моль. Это значительно меньше молярной массы воздуха, поэтому водород намного легче воздуха. При нормальных условиях плотность водорода ($\approx 0,09$ кг/м³) примерно в 14,5 раз меньше плотности воздуха ($\approx 1,29$ кг/м³).

Из-за того, что водород легче воздуха, он будет подниматься вверх. Чтобы перелить его из одного сосуда (источника) в другой (приемник), нужно использовать этот эффект. Сосуд-приемник следует перевернуть вверх дном и расположить над открытым сосудом-источником. Водород, выходя из нижнего сосуда, поднимется вверх и заполнит верхний сосуд, вытесняя из него более тяжелый воздух, который опустится вниз. Этот метод называется собиранием газа путем вытеснения воздуха (в данном случае, "переливанием вверх").

Ответ: Чтобы перелить водород, нужно сосуд-приемник расположить вверх дном над сосудом-источником. Водород, будучи легче воздуха, поднимется и заполнит верхний сосуд, вытеснив из него воздух.

Молярная масса кислорода ($O_2$) составляет около $32$ г/моль. Это немного больше средней молярной массы воздуха ($29$ г/моль), поэтому кислород тяжелее воздуха. При нормальных условиях плотность кислорода ($\approx 1,43$ кг/м³) немного больше плотности воздуха ($\approx 1,29$ кг/м³).

Так как кислород тяжелее воздуха, он будет опускаться вниз. Чтобы перелить его, можно действовать так же, как с жидкостью. Сосуд-приемник нужно расположить горлышком вверх, а сосуд-источник наклонить над ним. Кислород будет "перетекать" из верхнего сосуда в нижний, вытесняя из него более легкий воздух, который поднимется вверх. Этот метод называется собиранием газа путем вытеснения воздуха (в данном случае, "переливанием вниз").

Ответ: Чтобы перелить кислород, нужно сосуд-приемник держать в обычном положении (горлышком вверх), а сосуд-источник наклонить над ним. Кислород, будучи тяжелее воздуха, "стечет" в нижний сосуд, вытеснив из него воздух.

3. Составьте уравнения химических реакций водорода со следующими оксидами:

а) оксидом ртути(II);

б) железной окалиной $Fe_3O_4$;

в) оксидом вольфрама(VI).

Объясните, какова роль водорода в этих реакциях. Что происходит с металлом в результате реакции?

а) с оксидом ртути(II)

При нагревании водород восстанавливает оксид ртути(II) до металлической ртути. Вторым продуктом реакции является вода.

Уравнение реакции: $$HgO + H_2 \xrightarrow{t} Hg + H_2O$$

В этой окислительно-восстановительной реакции ртуть меняет степень окисления с +2 на 0, а водород — с 0 на +1.

Ответ: $HgO + H_2 = Hg + H_2O$.

б) с железной окалиной Fe₃O₄

Железная окалина, являющаяся смешанным оксидом железа(II, III), восстанавливается водородом при высокой температуре до металлического железа. Также в реакции образуется вода.

Уравнение реакции: $$Fe_3O_4 + 4H_2 \xrightarrow{t} 3Fe + 4H_2O$$

Атомы железа восстанавливаются (степени окисления меняются с +2 и +3 на 0), а атомы водорода окисляются (степень окисления меняется с 0 на +1).

Ответ: $Fe_3O_4 + 4H_2 = 3Fe + 4H_2O$.

в) с оксидом вольфрама(VI)

Водород является сильным восстановителем и способен восстанавливать даже тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, из их оксидов при сильном нагревании.

Уравнение реакции: $$WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$$

Вольфрам восстанавливается, изменяя степень окисления с +6 на 0, а водород, как и в предыдущих случаях, окисляется с 0 до +1.

Ответ: $WO_3 + 3H_2 = W + 3H_2O$.

Во всех приведенных реакциях водород ($H_2$) играет роль восстановителя. Он отдает электроны иону металла, содержащемуся в оксиде. При этом сам водород окисляется, повышая свою степень окисления с 0 до +1 (в составе воды $H_2O$).

В результате реакции с металлом происходит его восстановление. Ионы металла в оксиде (окислители) принимают электроны от водорода, в результате чего их положительная степень окисления понижается до 0. Таким образом, из оксида металла образуется простое вещество — чистый металл.

4.* С какими из перечисленных веществ: сера, вода, оксид железа(III), аммиак, медь, кислород — будет реагировать водород? Составьте уравнения соответствующих реакций.

Водород ($H_2$) будет реагировать со следующими веществами из перечисленного списка: сера, оксид железа(III) и кислород. С водой, аммиаком и медью водород в обычных условиях не реагирует.

При нагревании водород вступает в реакцию с серой, образуя газ сероводород ($H_2S$). В этой реакции водород является восстановителем, а сера – окислителем.

Уравнение реакции: $H_2 + S \xrightarrow{t^{\circ}} H_2S$

Ответ: $H_2 + S \xrightarrow{t^{\circ}} H_2S$.

Водород является хорошим восстановителем и при высокой температуре восстанавливает многие металлы из их оксидов. В реакции с оксидом железа(III) ($Fe_2O_3$) образуется металлическое железо и вода.

Уравнение реакции: $3H_2 + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3H_2O$

Ответ: $3H_2 + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3H_2O$.

Водород активно реагирует с кислородом при поджигании или в присутствии катализатора. Реакция горения водорода приводит к образованию воды и сопровождается выделением большого количества тепла. Смесь водорода и кислорода в соотношении 2:1 по объему известна как "гремучий газ" из-за своей взрывоопасности.

Уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2H_2O$

Ответ: $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2H_2O$.

5. Используя дополнительные источники информации, подготовьте инфографику «Роль водорода в живых системах и технике».

Роль водорода в живых системах

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной и ключевой компонент всех живых организмов. Хотя его массовая доля в организме человека составляет около 10%, по количеству атомов он занимает первое место (более 60%). Его роль многогранна и фундаментальна.

• Составная часть воды: Жизнь на Земле невозможна без воды ($H_2O$), которая составляет 70–80% массы клетки. Водород, входя в состав молекулы воды, обеспечивает ее уникальные свойства: полярность, способность быть универсальным растворителем для биохимических реакций, участие в терморегуляции.
• Структурный элемент органических молекул: Водород является неотъемлемой частью всех классов органических соединений, лежащих в основе жизни:
  • Белки (состоят из аминокислот);
  • Жиры (липиды);
  • Углеводы (например, глюкоза $C_6H_{12}O_6$);
  • Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).
  В этих молекулах атомы водорода образуют ковалентные связи с атомами углерода, кислорода, азота, формируя "скелет" и функциональные группы.
• Образование водородных связей: Это слабые связи, возникающие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (O, N) другой. Несмотря на свою слабость, они играют критическую роль:
  • Поддержание вторичной и третичной структуры белков, что определяет их ферментативную и структурную функции.
  • Соединение двух цепей ДНК в двойную спираль, обеспечивая стабильность хранения генетической информации.
  • Определение физических свойств воды (высокая температура кипения, теплоемкость).
• Участие в энергетическом обмене: Водород в форме протонов ($H^+$) и электронов ($e^-$) является центральным звеном клеточного дыхания. В митохондриях перенос электронов и протонов водорода по дыхательной цепи приводит к созданию протонного градиента, энергия которого используется для синтеза АТФ — универсальной энергетической "валюты" клетки.
• Регуляция кислотно-щелочного баланса (pH): Концентрация ионов водорода ($H^+$) определяет pH биологических жидкостей. Поддержание строго определенного уровня pH является жизненно важным условием для нормальной работы ферментов и протекания биохимических процессов.

Ответ: В живых системах водород является основополагающим элементом: он входит в состав воды и всех органических молекул, с помощью водородных связей стабилизирует структуру ДНК и белков, участвует в производстве клеточной энергии (АТФ) и в поддержании кислотно-щелочного равновесия.

Роль водорода в технике

Водород — это универсальный и перспективный элемент для промышленности и технологий, от химического синтеза до энергетики будущего.

• Химическая промышленность: Водород является важнейшим сырьем для производства:
  • Аммиака ($NH_3$): В процессе Габера-Боша ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$) из водорода и азота получают аммиак, который служит основой для производства азотных удобрений, необходимых для обеспечения продовольственной безопасности в мире.
  • Метанола ($CH_3OH$): Синтез метанола из оксида углерода и водорода ($CO + 2H_2 \to CH_3OH$). Метанол используется как растворитель и сырье для получения других органических веществ.
  • Гидрогенизация: Процесс присоединения водорода используется в нефтепереработке (гидрокрекинг, гидроочистка для удаления серы из топлива) и в пищевой промышленности (превращение жидких растительных масел в твердые жиры, например, маргарин).
• Энергетика: Водород рассматривается как один из самых чистых и эффективных энергоносителей.
  • Ракетное топливо: Жидкий водород в паре с жидким кислородом — одно из самых эффективных ракетных топлив, обеспечивающее высокую удельную тягу.
  • Топливные элементы: Устройства, которые преобразуют химическую энергию водорода и кислорода непосредственно в электричество с выделением только воды ($2H_2 + O_2 \to 2H_2O + \text{энергия}$). Они применяются в автомобилях, автобусах и стационарных электростанциях.
  • Экологически чистое топливо: Водород может сжигаться в двигателях внутреннего сгорания, при этом продуктом сгорания является в основном водяной пар.
• Металлургия и обработка материалов:
  • Восстановитель: Водород используется для восстановления оксидов металлов до чистых металлов (например, при производстве вольфрама и молибдена).
  • Сварка: В кислородно-водородных горелках достигается температура до 2800 °C, что позволяет резать и сваривать тугоплавкие металлы.
  • Защитная среда: При термообработке металлов используется для предотвращения окисления.
• Другие применения:
  • Охладитель: Благодаря высокой теплопроводности газообразный водород применяется для охлаждения мощных турбогенераторов на электростанциях.
  • Электроника: Используется в процессах производства полупроводников и микросхем.

Ответ: В технике водород играет роль важнейшего химического сырья (производство аммиака, метанола, гидрогенизация), перспективного экологически чистого энергоносителя (топливные элементы, ракетное топливо), а также применяется в металлургии в качестве восстановителя и в других высокотехнологичных отраслях.

1. В соединении $NH_3$ водород проявляет валентность

1) III

2) II

3) I

4) IV

Решение

Валентность химического элемента — это число химических связей, которые атом данного элемента может образовать с другими атомами. Водород (H) находится в первой группе периодической таблицы химических элементов и имеет один валентный электрон. В подавляющем большинстве соединений водород образует одну ковалентную связь, поэтому его валентность практически всегда равна I (единице).

В молекуле аммиака ($NH_3$) один атом азота (N) связан с тремя атомами водорода (H). Каждый атом водорода образует одну одинарную химическую связь с атомом азота. Таким образом, валентность водорода в аммиаке равна I.

Ответ: 3) I

2. В уравнении реакции $PbO_2 + 2H_2 = Pb + 2H_2O$ восстановителем является

1) свинец

2) водород

3) оксид свинца(IV)

4) вода

Решение

Чтобы определить, какое вещество является восстановителем в окислительно-восстановительной реакции, необходимо проанализировать, как изменяются степени окисления атомов в ходе реакции. Восстановитель — это вещество, атомы которого отдают электроны и повышают свою степень окисления. Окислитель — это вещество, атомы которого принимают электроны и понижают свою степень окисления.

Рассмотрим данное уравнение реакции:
$PbO_2 + 2H_2 = Pb + 2H_2O$

Определим степени окисления элементов до и после реакции:
1. В реагентах (левая часть уравнения):
- В оксиде свинца(IV) ($PbO_2$) кислород имеет стандартную степень окисления -2. Так как молекула электронейтральна, степень окисления свинца (Pb) будет +4. Запишем это как $Pb^{+4}O_2^{-2}$.
- Водород ($H_2$) является простым веществом, поэтому его степень окисления равна 0. Запишем это как $H_2^0$.

2. В продуктах (правая часть уравнения):
- Свинец ($Pb$) является простым веществом, его степень окисления равна 0. Запишем это как $Pb^0$.
- В воде ($H_2O$) кислород имеет степень окисления -2, а водород +1. Запишем это как $H_2^{+1}O^{-2}$.

Теперь проследим за изменением степеней окисления:
- Свинец изменил свою степень окисления с +4 на 0 ($Pb^{+4} \rightarrow Pb^0$). Степень окисления понизилась, значит, свинец принял электроны (восстановился). Вещество, в состав которого он входит ($PbO_2$), является окислителем.
- Водород изменил свою степень окисления с 0 на +1 ($H^0 \rightarrow H^{+1}$). Степень окисления повысилась, значит, водород отдал электроны (окислился). Вещество, которое окисляется ($H_2$), является восстановителем.

Следовательно, в данной реакции водород ($H_2$) является восстановителем.

Ответ: 2) водород

3. Левая часть уравнения реакции: ... + ... = $Hg + H_2O$ — это

1) $HgO + C =$

2) $HgO + H_2 =$

3) $HgO + Al =$

4) $HgO + CO =$

Для того чтобы определить, какая из предложенных левых частей уравнения реакции верна, необходимо проанализировать продукты, которые образуются в каждом случае. Согласно условию, продуктами реакции являются металлическая ртуть ($ \text{Hg} $) и вода ($ \text{H}_2\text{O} $).

Схема реакции выглядит следующим образом:

$$ \text{Реагенты} \rightarrow \text{Hg} + \text{H}_2\text{O} $$

Рассмотрим каждый из предложенных вариантов:

1) HgO + C =

Реакция оксида ртути(II) с углем является реакцией восстановления. При нагревании углерод восстанавливает ртуть из оксида, а сам окисляется до оксида углерода(II) ($ \text{CO} $) или оксида углерода(IV) ($ \text{CO}_2 $). Вода ($ \text{H}_2\text{O} $) в этой реакции не образуется.

$$ \text{HgO} + \text{C} \xrightarrow{t} \text{Hg} + \text{CO} $$

Этот вариант не подходит.

2) HgO + H₂ =

Реакция оксида ртути(II) с водородом — это классическая реакция восстановления металла из оксида. Водород ($ \text{H}_2 $) забирает кислород у оксида ртути ($ \text{HgO} $), образуя воду ($ \text{H}_2\text{O} $). Ртуть при этом выделяется в виде простого вещества ($ \text{Hg} $).

$$ \text{HgO} + \text{H}_2 \xrightarrow{t} \text{Hg} + \text{H}_2\text{O} $$

Продукты этой реакции (ртуть и вода) полностью соответствуют заданным в условии. Следовательно, этот вариант является правильным.

3) HgO + Al =

Реакция оксида ртути(II) с алюминием (алюмотермия). Алюминий — более активный металл, чем ртуть, поэтому он вытесняет ртуть из её оксида. Продуктами реакции будут металлическая ртуть ($ \text{Hg} $) и оксид алюминия ($ \text{Al}_2\text{O}_3 $). Вода в этой реакции не образуется.

$$ 3\text{HgO} + 2\text{Al} \xrightarrow{t} 3\text{Hg} + \text{Al}_2\text{O}_3 $$

Этот вариант не подходит.

4) HgO + CO =

Реакция оксида ртути(II) с угарным газом ($ \text{CO} $) также является восстановительной. Угарный газ восстанавливает ртуть, окисляясь при этом до углекислого газа ($ \text{CO}_2 $). Вода в данной реакции не образуется.

$$ \text{HgO} + \text{CO} \xrightarrow{t} \text{Hg} + \text{CO}_2 $$

Этот вариант не подходит.

Вывод: единственная реакция, которая приводит к образованию ртути и воды, — это взаимодействие оксида ртути(II) с водородом.

Ответ: 2