Страница 79 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. На каких физических свойствах кислорода основаны способы его собирания? Каким из этих способов собирают более чистый газ?

На каких физических свойствах кислорода основаны способы его собирания?

Решение

В лабораторных условиях кислород можно собирать двумя основными способами, каждый из которых основан на определённых физических свойствах этого газа.

1. Метод вытеснения воздуха. Этот способ основан на том, что кислород немного тяжелее (плотнее) воздуха. Молярная масса кислорода ($O_2$) составляет $M(O_2) \approx 32$ г/моль, в то время как средняя молярная масса воздуха – около $M_{воздуха} \approx 29$ г/моль. Поскольку кислород тяжелее, его можно собрать в сосуд, расположив его дном вниз (отверстием вверх). Газоотводную трубку опускают на дно сосуда, и кислород, поступая в него, вытесняет более лёгкий воздух.

2. Метод вытеснения воды. Данный способ основан на том, что кислород очень плохо растворяется в воде. Для сбора газа сосуд (например, пробирку или измерительный цилиндр) заполняют водой и переворачивают вверх дном в ёмкости с водой (кристаллизаторе). Газоотводную трубку подводят под отверстие перевёрнутого сосуда. Пузырьки кислорода поднимаются вверх и скапливаются в сосуде, вытесняя из него воду.

Ответ: Способы собирания кислорода основаны на двух его физических свойствах: 1) кислород тяжелее воздуха, что позволяет собирать его методом вытеснения воздуха; 2) кислород малорастворим в воде, что позволяет собирать его методом вытеснения воды.

Каким из этих способов собирают более чистый газ?

Решение

При сравнении двух методов с точки зрения чистоты получаемого газа, метод вытеснения воды является предпочтительным.

При собирании кислорода методом вытеснения воздуха очень сложно определить момент, когда сосуд полностью заполнился газом. В результате собранный кислород всегда будет содержать примеси воздуха (в основном, азота и аргона).

При собирании методом вытеснения воды момент заполнения сосуда виден наглядно — когда вся вода будет вытеснена. Газ, собранный таким образом, будет содержать лишь незначительное количество водяного пара в качестве примеси, но будет практически чистым от компонентов воздуха. Следовательно, этот метод позволяет получить более чистый образец кислорода.

Ответ: Более чистый газ собирают методом вытеснения воды.

2. Как ускорить реакцию разложения пероксида водорода? Как называют такие «ускорители реакций»?

Реакция разложения пероксида водорода ($H_2O_2$), также известного как перекись водорода, протекает с образованием воды и кислорода. Уравнение этой реакции:

$2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2 \uparrow$

В нормальных условиях эта реакция происходит очень медленно. Существует несколько факторов, способных значительно увеличить её скорость.

Как ускорить реакцию разложения пероксида водорода?

Скорость разложения пероксида водорода можно увеличить следующими основными способами:

1. Добавление катализатора. Это самый распространённый и эффективный метод. Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакцию, но сами в процессе не расходуются.
   • Неорганические катализаторы: Классическим примером является оксид марганца(IV) ($MnO_2$). Даже небольшое количество этого чёрного порошка вызывает бурное выделение кислорода из раствора перекиси. Каталитическую активность проявляют также соединения железа, меди, хрома и других металлов.
   • Биологические катализаторы (ферменты): В живых организмах разложение токсичного пероксида водорода осуществляется с помощью фермента каталазы. Этот фермент содержится, например, в крови, клетках печени, в сыром картофеле или дрожжах. Каталаза является одним из самых активных ферментов, способных разлагать миллионы молекул $H_2O_2$ в секунду.
2. Нагревание. В соответствии с общими принципами химической кинетики, повышение температуры увеличивает скорость реакции. При нагревании раствора пероксида водорода его молекулы движутся быстрее, чаще и с большей энергией сталкиваются друг с другом, что приводит к ускорению разложения.
3. Воздействие света. Кванты света (особенно в ультрафиолетовой части спектра) могут инициировать распад молекул пероксида водорода, поставляя энергию, необходимую для разрыва химической связи O-O. По этой причине растворы пероксида водорода обычно хранят в бутылках из тёмного стекла для предотвращения их преждевременного разложения.

Ответ: Реакцию разложения пероксида водорода можно ускорить путём добавления катализатора (например, оксида марганца(IV) $MnO_2$ или фермента каталазы), повышения температуры раствора или его облучения светом.

Как называют такие «ускорители реакций»?

Вещества, которые увеличивают скорость химических реакций, но не входят в состав конечных продуктов и остаются неизменными после реакции, называются катализаторами. Процесс ускорения реакции при помощи катализатора называется катализом.

В случае биологических систем роль катализаторов выполняют особые белковые молекулы — ферменты.

Ответ: Такие «ускорители реакций» называют катализаторами.

3. Две колбы заполнены газом: одна — кислородом, другая — воздухом. Почему нельзя по внешнему виду определить, где какой газ? Как доказать наличие кислорода в колбе?

Почему нельзя по внешнему виду определить, где какой газ?

Определить по внешнему виду, в какой из колб находится кислород, а в какой — воздух, невозможно. Это связано с тем, что и чистый кислород ($O_2$), и воздух являются газами, не имеющими цвета. Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот ($N_2$) и кислород ($O_2$), которые также являются бесцветными и прозрачными. Поскольку ни один из газов не имеет видимых отличительных признаков, колбы с кислородом и воздухом выглядят абсолютно одинаково.

Ответ: Нельзя определить по внешнему виду, где какой газ, потому что и кислород, и воздух — это бесцветные прозрачные газы, визуально неразличимые.

Как доказать наличие кислорода в колбе?

Чтобы доказать наличие кислорода, используется его химическое свойство — способность активно поддерживать горение. Для этого проводят простой эксперимент с тлеющей лучинкой. Необходимо зажечь деревянную лучинку, а затем погасить пламя так, чтобы ее кончик продолжал тлеть (светиться красным). После этого тлеющую лучинку следует поочередно внести в каждую колбу.

В колбе, заполненной чистым кислородом, тлеющая лучинка ярко вспыхнет и снова загорится. Это происходит потому, что высокая концентрация кислорода резко интенсифицирует процесс горения. В колбе с воздухом, где содержание кислорода составляет около 21%, лучинка может тлеть немного ярче, но не вспыхнет и вскоре потухнет. Таким образом, яркая вспышка тлеющей лучинки является качественной реакцией на кислород и позволяет однозначно определить, в какой колбе он находится.

Ответ: Чтобы доказать наличие кислорода, нужно внести в колбу тлеющую лучинку; если она ярко вспыхнет, значит в колбе находится кислород.

4.* Петя с Вовой на уроке получали кислород. Чтобы его собрать, они надели на газоотводную трубку чистую сухую пробирку дном вверх и стали ждать. Прозвенел звонок, урок закончился, но тлеющая лучина, которую мальчики неоднократно подносили к отверстию пробирки, так и не вспыхнула. Что же пошло не так?

Решение:

Проблема, с которой столкнулись Петя и Вова, связана с неправильным выбором метода сбора кислорода. Метод сбора газа путём вытеснения воздуха зависит от относительной плотности собираемого газа и воздуха. Плотность газа при одинаковых условиях пропорциональна его молярной массе.

1. Сравнение молярных масс.
Сначала определим, тяжелее или легче кислород, чем воздух. Для этого сравним их молярные массы.
Молярная масса кислорода ($O_2$) равна: $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32$ г/моль.
Воздух является смесью газов, в основном азота ($N_2$, $M=28$ г/моль) и кислорода ($O_2$, $M=32$ г/моль). Средняя молярная масса воздуха составляет приблизительно 29 г/моль.
Так как $M(O_2) > M_{воздуха}$ ($32 \text{ г/моль} > 29 \text{ г/моль}$), кислород является более тяжелым газом, чем воздух.

2. Метод сбора газа.
Газы, которые тяжелее воздуха, собирают в сосуд (например, пробирку), расположенный отверстием вверх (дном вниз). В этом случае тяжелый газ будет опускаться на дно сосуда, постепенно вытесняя из него более легкий воздух.
Газы, которые легче воздуха, собирают в перевернутый сосуд, то есть отверстием вниз (дном вверх). Легкий газ будет подниматься и скапливаться в верхней части сосуда, вытесняя тяжелый воздух.

3. Вывод об ошибке.
Петя и Вова собирали кислород, который тяжелее воздуха, в пробирку, перевернутую дном вверх. При таком способе сбора выделяющийся кислород, будучи тяжелее воздуха, не мог заполнил пробирку, а сразу же опускался из нее и рассеивался. В пробирке оставался обычный воздух, в котором содержание кислорода (~21%) недостаточно для того, чтобы тлеющая лучина ярко вспыхнула.

Ответ: Мальчики допустили ошибку в способе сбора кислорода. Так как кислород тяжелее воздуха, его необходимо собирать методом вытеснения воздуха в пробирку, расположенную отверстием вверх (дном вниз). Они же расположили пробирку дном вверх, из-за чего кислород не смог в ней накопиться.

5. Какие из признаков можно отнести к кислороду (выпишите их): легче воздуха; твёрдый; жидкий; тяжелее воздуха; при обычных условиях газ; бесцветный; зелёный; практически нерастворимый; с резким запахом; хорошо растворим; электропроводен; без запаха; хрупкий; кислый; малорастворимый; сладкий; поддерживает дыхание; ядовитый.

Для того чтобы выбрать признаки, характерные для кислорода, необходимо проанализировать каждое предложенное свойство на соответствие известным физическим и химическим свойствам кислорода ($O_2$).

Ниже перечислены и обоснованы свойства, которые можно отнести к кислороду:

• тяжелее воздуха

  Это верная характеристика. Молярная масса кислорода ($O_2$) составляет приблизительно $M(O_2) \approx 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$. Средняя молярная масса воздуха, который является смесью газов (в основном азота $N_2$ и кислорода $O_2$), составляет примерно $M(\text{воздуха}) \approx 29 \text{ г/моль}$. Поскольку $32 > 29$, кислород действительно тяжелее воздуха.

• при обычных условиях газ

  Это верно. При обычных условиях (например, при температуре $20^\circ\text{C}$ и давлении $1$ атмосфера) кислород находится в газообразном агрегатном состоянии. Его температура кипения равна $-183^\circ\text{C}$, а температура плавления — $-218,8^\circ\text{C}$, что значительно ниже обычных температур.

• бесцветный

  Да, в газообразном состоянии кислород не имеет цвета. Стоит отметить, что жидкий кислород имеет светло-голубой оттенок.

• без запаха

  Чистый двухатомный кислород ($O_2$) не имеет запаха. Характерный резкий запах "свежести" после грозы обусловлен другой формой кислорода — озоном ($O_3$).

• малорастворимый

  Кислород растворяется в воде, но в незначительных количествах. Например, при $20^\circ\text{C}$ и нормальном атмосферном давлении в 1 литре воды растворяется около 9 мг кислорода. Эта небольшая растворимость, однако, жизненно важна для дыхания водных организмов. Поэтому характеристика "малорастворимый" является наиболее точной.

• поддерживает дыхание

  Это одно из важнейших биологических и химических свойств кислорода. Он является окислителем в процессе клеточного дыхания, который обеспечивает энергией подавляющее большинство живых организмов на нашей планете.

Остальные предложенные признаки являются неверными. Кислород не легче воздуха, при обычных условиях не является твёрдым или жидким. Он не зелёный, не имеет резкого запаха или вкуса (кислый, сладкий). Он не является электропроводным. Характеристика "ядовитый" верна лишь для высоких концентраций или давлений, но не является его основным свойством в нормальных условиях.

Ответ: тяжелее воздуха; при обычных условиях газ; бесцветный; без запаха; малорастворимый; поддерживает дыхание.

6. Вычислите массовые доли элементов (в процентах):

а) в оксиде серы(IV);

б) в бертолетовой соли $KClO_3$.

а) в оксиде серы(IV)

Дано:
Соединение: оксид серы(IV). Химическая формула - $SO_2$.
Относительная атомная масса серы: $Ar(S) = 32$
Относительная атомная масса кислорода: $Ar(O) = 16$

Найти:
Массовые доли серы $w(S)$ и кислорода $w(O)$ в $SO_2$.

Решение:
Массовая доля элемента в сложном веществе вычисляется по формуле: $w(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(вещества)} \cdot 100\%$, где
$w(Э)$ - массовая доля элемента,
$n$ - число атомов данного элемента в одной формульной единице вещества (индекс),
$Ar(Э)$ - относительная атомная масса элемента,
$Mr(вещества)$ - относительная молекулярная (или формульная) масса вещества.

1. Рассчитаем относительную молекулярную массу оксида серы(IV) ($SO_2$):
$Mr(SO_2) = Ar(S) + 2 \cdot Ar(O) = 32 + 2 \cdot 16 = 32 + 32 = 64$.

2. Вычислим массовую долю серы ($S$) в $SO_2$ (в молекуле 1 атом серы):
$w(S) = \frac{1 \cdot Ar(S)}{Mr(SO_2)} \cdot 100\% = \frac{1 \cdot 32}{64} \cdot 100\% = 0.5 \cdot 100\% = 50\%$.

3. Вычислим массовую долю кислорода ($O$) в $SO_2$ (в молекуле 2 атома кислорода):
$w(O) = \frac{2 \cdot Ar(O)}{Mr(SO_2)} \cdot 100\% = \frac{2 \cdot 16}{64} \cdot 100\% = \frac{32}{64} \cdot 100\% = 50\%$.

Ответ: в оксиде серы(IV) массовая доля серы составляет 50%, массовая доля кислорода - 50%.

б) в бертолетовой соли KClO₃

Дано:
Соединение: бертолетова соль (хлорат калия). Химическая формула - $KClO_3$.
Относительная атомная масса калия: $Ar(K) = 39$
Относительная атомная масса хлора: $Ar(Cl) = 35.5$
Относительная атомная масса кислорода: $Ar(O) = 16$

Найти:
Массовые доли калия $w(K)$, хлора $w(Cl)$ и кислорода $w(O)$ в $KClO_3$.

Решение:
1. Рассчитаем относительную формульную массу бертолетовой соли ($KClO_3$):
$Mr(KClO_3) = Ar(K) + Ar(Cl) + 3 \cdot Ar(O) = 39 + 35.5 + 3 \cdot 16 = 39 + 35.5 + 48 = 122.5$.

2. Вычислим массовую долю калия ($K$) в $KClO_3$ (в формульной единице 1 атом калия):
$w(K) = \frac{1 \cdot Ar(K)}{Mr(KClO_3)} \cdot 100\% = \frac{39}{122.5} \cdot 100\% \approx 31.84\%$.

3. Вычислим массовую долю хлора ($Cl$) в $KClO_3$ (в формульной единице 1 атом хлора):
$w(Cl) = \frac{1 \cdot Ar(Cl)}{Mr(KClO_3)} \cdot 100\% = \frac{35.5}{122.5} \cdot 100\% \approx 28.98\%$.

4. Вычислим массовую долю кислорода ($O$) в $KClO_3$ (в формульной единице 3 атома кислорода):
$w(O) = \frac{3 \cdot Ar(O)}{Mr(KClO_3)} \cdot 100\% = \frac{3 \cdot 16}{122.5} \cdot 100\% = \frac{48}{122.5} \cdot 100\% \approx 39.18\%$.

Проверка: $w(K) + w(Cl) + w(O) \approx 31.84\% + 28.98\% + 39.18\% = 100\%$.

Ответ: в бертолетовой соли массовая доля калия составляет примерно 31.84%, хлора - 28.98%, кислорода - 39.18%.

7. На основании закона сохранения массы веществ рассчитайте массу кислорода, вступившего в реакцию с 3,2 г меди, если в результате реакции образовалось 4 г оксида меди(II). Составьте уравнение химической реакции, укажите её тип.

Дано:

$m(\text{Cu}) = 3,2 \text{ г}$
$m(\text{CuO}) = 4 \text{ г}$

Найти:

$m(\text{O}_2)\text{ — ?}$
Уравнение реакции — ?
Тип реакции — ?

Решение:

Согласно закону сохранения массы веществ, масса реагентов, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. В данном случае медь ($ \text{Cu} $) и кислород ($ \text{O}_2 $) являются реагентами, а оксид меди(II) ($ \text{CuO} $) — продуктом.

Математически это можно выразить следующим образом:
$m(\text{Cu}) + m(\text{O}_2) = m(\text{CuO})$

Чтобы найти массу кислорода, необходимо из массы образовавшегося оксида меди(II) вычесть массу прореагировавшей меди:
$m(\text{O}_2) = m(\text{CuO}) - m(\text{Cu})$

Подставим известные значения в формулу:
$m(\text{O}_2) = 4 \text{ г} - 3,2 \text{ г} = 0,8 \text{ г}$

Далее составим уравнение химической реакции. Медь реагирует с кислородом при нагревании с образованием оксида меди(II). Уравнение реакции в сбалансированном виде:
$2\text{Cu} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CuO}$

Данная реакция относится к типу реакций соединения, поскольку в результате взаимодействия двух простых веществ (медь и кислород) образуется одно сложное вещество (оксид меди(II)).

Ответ: масса кислорода, вступившего в реакцию, равна 0,8 г; уравнение реакции: $2\text{Cu} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CuO}$; тип реакции — соединение.