Страница 140 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Каким закономерностям подчиняется поведение газообразных веществ в химических реакциях? Поясните на конкретных примерах.

Поведение газообразных веществ в химических реакциях подчиняется двум фундаментальным и взаимосвязанным закономерностям: закону объемных отношений Гей-Люссака и закону Авогадро.

Закон объемных отношений (Жозеф Луи Гей-Люссак, 1808 г.) гласит, что при постоянных температуре и давлении объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов как небольшие целые числа.

Закон Авогадро (Амедео Авогадро, 1811 г.) является теоретическим обоснованием закона Гей-Люссака. Он утверждает, что в равных объемах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

Следствием из закона Авогадро является то, что отношение объемов газов, участвующих в реакции, равно отношению их количеств вещества (числа молей). Поскольку стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции показывают мольное соотношение реагентов и продуктов, они также показывают и соотношение их объемов (если вещества находятся в газообразном состоянии и при одинаковых условиях).
Математически это можно выразить так: для реакции $aA + bB \rightarrow cC + dD$, где все вещества — газы, соотношение объемов будет $V(A) : V(B) : V(C) : V(D) = a : b : c : d$.

Эта закономерность позволяет производить стехиометрические расчеты для реакций с участием газов, оперируя их объемами.

Конкретные примеры:

1. Синтез воды из водорода и кислорода.
Уравнение реакции: $2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(г)$.
Стехиометрические коэффициенты равны 2, 1 и 2. Согласно закону объемных отношений, объемы водорода, кислорода и водяного пара соотносятся как $2:1:2$. Это значит, что 2 литра водорода полностью реагируют с 1 литром кислорода, образуя 2 литра водяного пара (при одинаковых температуре и давлении).

2. Синтез аммиака (процесс Габера).
Уравнение реакции: $N_2(г) + 3H_2(г) \leftrightarrows 2NH_3(г)$.
Коэффициенты в уравнении — 1, 3 и 2. Следовательно, соотношение объемов азота, водорода и аммиака составляет $1:3:2$. Например, для синтеза 200 мл аммиака потребуется 100 мл азота и 300 мл водорода.

3. Синтез хлороводорода.
Уравнение реакции: $H_2(г) + Cl_2(г) \rightarrow 2HCl(г)$.
Соотношение коэффициентов — $1:1:2$. Это означает, что 1 объем водорода реагирует с 1 объемом хлора с образованием 2 объемов газообразного хлороводорода. Так, из 5 литров водорода и 5 литров хлора можно получить 10 литров хлороводорода.

Ответ: Поведение газообразных веществ в химических реакциях подчиняется закону объемных отношений Гей-Люссака, который является следствием закона Авогадро. Суть этих закономерностей заключается в том, что при одинаковых внешних условиях (температура и давление) объемы реагирующих и образующихся газов соотносятся между собой как небольшие целые числа, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Это позволяет использовать объемы газов для стехиометрических расчетов.

2. При взаимодействии хлора с водородом образовалось 0,25 моль хлороводорода. Вычислите объём хлора, вступившего в реакцию (н. у.).

Дано:

$n(\text{HCl}) = 0,25 \text{ моль}$

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$ (молярный объем газа при нормальных условиях)

Найти:

$V(\text{Cl}_2)$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия водорода с хлором с образованием хлороводорода:

$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

2. По уравнению реакции видно, что из 1 моль хлора ($Cl_2$) образуется 2 моль хлороводорода ($HCl$). Соотношение количеств веществ хлора и хлороводорода составляет 1:2.

$\frac{n(Cl_2)}{1} = \frac{n(HCl)}{2}$

3. Найдем количество вещества хлора ($n(Cl_2)$), вступившего в реакцию:

$n(Cl_2) = \frac{1}{2} \cdot n(HCl) = \frac{1}{2} \cdot 0,25 \text{ моль} = 0,125 \text{ моль}$

4. Зная количество вещества хлора, вычислим его объем при нормальных условиях (н. у.). Объем газа равен произведению количества вещества на молярный объем ($V_m = 22,4$ л/моль):

$V = n \cdot V_m$

$V(Cl_2) = 0,125 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 2,8 \text{ л}$

Ответ: объем хлора, вступившего в реакцию, составляет 2,8 л.

3. Вычислите, какой объём кислорода потребуется для сжигания $10 \text{ м}^3$ этана $C_2H_6$ (н. у.).

Дано:

Объем этана $V(\text{C}_2\text{H}_6) = 10 \text{ м}^3$

Условия: нормальные (н. у.)

Данные предоставлены в единицах системы СИ.

Найти:

Объем кислорода $V(\text{O}_2)$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции полного сгорания (окисления) этана. Продуктами реакции являются углекислый газ и вода. Уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения:

$2\text{C}_2\text{H}_6 + 7\text{O}_2 \rightarrow 4\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

2. Так как все вещества в реакции, объемы которых мы рассматриваем (этан и кислород), являются газами и находятся при одинаковых нормальных условиях, мы можем применить закон объемных отношений газов (закон Гей-Люссака). Этот закон гласит, что объемы реагирующих газов соотносятся как их стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Из уравнения реакции следует, что на 2 объема этана ($2\text{C}_2\text{H}_6$) требуется 7 объемов кислорода ($7\text{O}_2$).

3. Составим пропорцию для нахождения объема кислорода:

$\frac{V(\text{C}_2\text{H}_6)}{V(\text{O}_2)} = \frac{2}{7}$

Выразим из этой пропорции искомый объем кислорода:

$V(\text{O}_2) = V(\text{C}_2\text{H}_6) \times \frac{7}{2}$

Подставим известное значение объема этана:

$V(\text{O}_2) = 10 \text{ м}^3 \times \frac{7}{2} = 10 \text{ м}^3 \times 3.5 = 35 \text{ м}^3$

Ответ: для сжигания 10 м³ этана потребуется 35 м³ кислорода.

1. При взаимодействии хлора и 500 л водорода получили хлороводород, объём которого (н. у.) составил

1) 100 л 2) 200 л 3) 500 л 4) 1000 л

Дано:

Объём водорода $V(H_2) = 500$ л

Условия нормальные (н. у.)

Перевод в СИ:

$V(H_2) = 500 \text{ л} = 500 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.5 \text{ м}^3$

Найти:

Объём хлороводорода $V(HCl)$ — ?

Решение:

Запишем уравнение химической реакции синтеза хлороводорода из водорода и хлора:

$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

Все вещества в данной реакции являются газами. Согласно закону объёмных отношений Гей-Люссака, при постоянных температуре и давлении объёмы реагирующих и образующихся газов относятся друг к другу как их стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Из уравнения реакции следует, что из 1 объёма водорода ($H_2$) образуется 2 объёма хлороводорода ($HCl$). Их объёмное соотношение составляет:

$\frac{V(H_2)}{1} = \frac{V(HCl)}{2}$

В условии задачи не указано количество хлора, поэтому предполагается, что он взят в достаточном количестве (в избытке), чтобы весь водород прореагировал полностью. Следовательно, расчёт продукта реакции ведём по водороду.

Выразим объём хлороводорода из пропорции:

$V(HCl) = 2 \cdot V(H_2)$

Подставим известное значение объёма водорода:

$V(HCl) = 2 \cdot 500 \text{ л} = 1000 \text{ л}$

Таким образом, объём полученного хлороводорода составляет 1000 л, что соответствует варианту ответа 4.

Ответ: 4) 1000 л

2. Для синтеза воды из кислорода и водорода использовали 22,4 л кислорода (н. у.). Количество вещества вступившего в реакцию водорода составило

1) 2 моль

2) 4 моль

3) 6 моль

4) 8 моль

Дано:

$V(O_2) = 22,4$ л (н. у. — нормальные условия)

Найти:

$n(H_2)$ — ?

Решение:

1. Составим уравнение реакции синтеза воды из простых веществ — водорода и кислорода:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Из уравнения реакции видно, что для синтеза воды 2 моль газообразного водорода ($H_2$) реагируют с 1 моль газообразного кислорода ($O_2$). Таким образом, стехиометрическое соотношение количеств вещества водорода и кислорода составляет 2:1.

2. Рассчитаем количество вещества (число молей) кислорода, объем которого дан в условии задачи. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа ($V_m$) равен 22,4 л/моль.

Количество вещества $n$ можно найти по формуле:

$n = \frac{V}{V_m}$

Подставим данные для кислорода:

$n(O_2) = \frac{22,4 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 1$ моль

3. Зная количество вещества кислорода и стехиометрическое соотношение реагентов, найдем количество вещества водорода, вступившего в реакцию.

Согласно уравнению реакции:

$\frac{n(H_2)}{n(O_2)} = \frac{2}{1}$

Следовательно, количество вещества водорода в два раза больше количества вещества кислорода:

$n(H_2) = 2 \cdot n(O_2) = 2 \cdot 1 \text{ моль} = 2$ моль

Таким образом, для реакции потребовалось 2 моль водорода. Этот результат соответствует варианту ответа 1).

Ответ: 2 моль.

3. Объём хлора $Cl_2$ (н. у.), который требуется для синтеза 40 $м^3$ хлороводорода $HCl$, равен

1) 10 $м^3$

2) 20 $м^3$

3) 30 $м^3$

4) 40 $м^3$

Дано:

Найти:

Решение:

Синтез хлороводорода (HCl) из простых веществ (водорода и хлора) описывается следующим уравнением химической реакции:

$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

Согласно закону объёмных отношений Гей-Люссака, объёмы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, относятся друг к другу как небольшие целые числа. Эти числа соответствуют стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Из уравнения реакции следует, что для получения 2 объёмов хлороводорода ($HCl$) требуется 1 объём хлора ($Cl_2$).

Таким образом, объём необходимого хлора будет в два раза меньше объёма полученного хлороводорода.

Составим пропорцию на основе коэффициентов в уравнении:

$\frac{V(Cl_2)}{1} = \frac{V(HCl)}{2}$

Отсюда можем выразить объём хлора:

$V(Cl_2) = \frac{V(HCl)}{2}$

Подставляем известные значения:

$V(Cl_2) = \frac{40 \text{ м}^3}{2} = 20 \text{ м}^3$

Таким образом, для синтеза 40 м³ хлороводорода потребуется 20 м³ хлора.

Ответ: 20 м³