Страница 96 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. С помощью каких опытов можно определить содержание кислорода и азота в воздухе?

Определить количественное содержание кислорода и азота в воздухе можно с помощью экспериментов, в которых кислород удаляется из известного объема воздуха путем химической реакции. Поскольку воздух является смесью газов, удаление одного компонента приводит к уменьшению общего объема, что позволяет рассчитать его долю. Оставшийся газ в основном состоит из азота.

Опыт 1: Сжигание фосфора в замкнутом объеме воздуха

Это классический демонстрационный опыт.

1. В широкий сосуд с водой (кристаллизатор) помещают плавающую подставку (например, пробку) с небольшим количеством красного фосфора.

2. Фосфор поджигают и накрывают его стеклянным колоколом или мерным цилиндром, на котором нанесены деления. Нижний край цилиндра должен быть погружен в воду. Вода выполняет роль затвора, изолируя определенный объем воздуха ($V_{воздуха}$).

3. Внутри замкнутого объема фосфор активно реагирует с кислородом, образуя твердый оксид фосфора(V) в виде густого белого дыма. Реакция горения фосфора:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

4. По мере выгорания кислорода давление внутри цилиндра уменьшается. Из-за разницы давлений снаружи и внутри вода из кристаллизатора поднимается вверх в цилиндр, заполняя объем, который ранее занимал кислород.

5. Когда горение прекращается (весь кислород прореагировал), системе дают остыть до первоначальной температуры. Белый дым $P_2O_5$ постепенно оседает и растворяется в воде.

6. Уровень, до которого поднялась вода, показывает объем потребленного кислорода ($V_{O_2}$). Объем оставшегося газа ($V_{остатка}$) — это в основном азот и инертные газы.

7. По делениям на цилиндре можно определить, что вода заняла примерно 1/5 его объема. Таким образом, объемная доля кислорода ($\phi(O_2)$) в воздухе составляет:

$\phi(O_2) = \frac{V_{O_2}}{V_{воздуха}} \times 100\% \approx \frac{1}{5} \times 100\% = 20\%$ (более точное значение — 21%).

8. Оставшийся газ, объем которого составляет около 4/5 от исходного, — это преимущественно азот ($N_2$). Следует помнить, что в этом остатке также содержится около 1% инертных газов (в основном аргон). Объемная доля азота ($\phi(N_2)$) и инертных газов составляет:

$\phi(N_2 + \text{инерт. газы}) = \frac{V_{остатка}}{V_{воздуха}} \times 100\% \approx \frac{4}{5} \times 100\% = 80\%$ (более точное значение — 79%).

Опыт 2: Пропускание воздуха над раскаленной медью

Другой метод заключается в том, что известный объем воздуха, заключенный между двумя газовыми шприцами, многократно пропускают через нагретую трубку, содержащую медную стружку. Кислород реагирует с медью, а азот — нет.

$2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$

По уменьшению объема газа в шприцах судят о содержании кислорода.

Ответ: Содержание кислорода и азота в воздухе можно определить экспериментально, удалив кислород из замкнутого объема воздуха с помощью химической реакции. Например, при сжигании фосфора или пропускании воздуха над раскаленной медью кислород вступает в реакцию, а азот остается. Уменьшение объема газа соответствует объему кислорода (около 21%). Оставшийся объем газа (около 79%) приходится на долю азота и инертных газов.

2. Какие вы знаете благородные газы? Перечислите области их применения.

Благородные газы, также известные как инертные газы, — это химические элементы 18-й группы периодической таблицы. Их отличительная черта — завершённая внешняя электронная оболочка, что делает их химически очень стабильными и неохотно вступающими в реакции. К благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон и оганесон.

Гелий ($He$)
Это второй по лёгкости химический элемент, он не горит и не токсичен. Благодаря этим свойствам его используют для наполнения воздушных шаров, дирижаблей и метеорологических зондов. В металлургии и при сварке гелий создаёт защитную инертную атмосферу. В жидком состоянии гелий является важнейшим хладагентом в криогенной технике, например, для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Также он входит в состав дыхательных смесей (гелиокс) для глубоководных водолазов, чтобы предотвратить декомпрессионную болезнь.
Ответ: Применяется для наполнения летательных аппаратов (дирижабли, зонды), в качестве криогенной жидкости (в МРТ), для создания защитной атмосферы при сварке и в дыхательных смесях для дайверов.

Неон ($Ne$)
Наиболее известное применение неона — газосветные лампы, которые при прохождении электрического тока испускают характерное яркое оранжево-красное свечение. Такие лампы широко используются в наружной рекламе и вывесках. Также неон является компонентом рабочей смеси в некоторых типах газовых лазеров (например, гелий-неоновых). В жидком виде его используют как эффективный криогенный хладагент.
Ответ: Используется в осветительной технике (неоновые вывески), в лазерных технологиях и в качестве криогенного хладагента.

Аргон ($Ar$)
Это самый распространённый и доступный благородный газ. Основная область его применения — создание инертной защитной среды в металлургии, при дуговой сварке, резке и плавке активных и редких металлов. Им заполняют внутреннее пространство ламп накаливания для замедления испарения вольфрамовой нити, а также камеры стеклопакетов для улучшения их тепло- и звукоизоляционных свойств. В пищевой промышленности аргон используется как упаковочный газ (пищевая добавка E938).
Ответ: Защитная среда при сварке и в металлургии, заполнение ламп накаливания и стеклопакетов, упаковка пищевых продуктов.

Криптон ($Kr$)
Криптон плотнее аргона и ещё эффективнее снижает испарение нити накала в лампах, что позволяет создавать более яркие и долговечные лампы накаливания (например, для фар или аэродромных огней). Он также применяется в качестве рабочего тела в мощных эксимерных лазерах (криптон-фторидных) и для заполнения стеклопакетов с высокими требованиями к энергосбережению.
Ответ: Производство мощных и долговечных ламп накаливания, эксимерных лазеров, а также энергоэффективных стеклопакетов.

Ксенон ($Xe$)
Ксенон используется для создания очень ярких газоразрядных ламп, свет которых близок к солнечному спектру. Такие лампы применяются в автомобильных фарах, кинопроекторах, фотовспышках и мощных прожекторах. В космической отрасли ксенон служит рабочим телом в ионных двигателях для коррекции орбит спутников и движения межпланетных станций. В медицине он нашёл применение в качестве безопасного ингаляционного анестетика для общего наркоза.
Ответ: Производство сверхъярких ламп (автомобильные фары, кинопроекторы), рабочее тело в ионных двигателях космических аппаратов, медицинский наркоз.

Радон ($Rn$)
Это радиоактивный газ. Ранее его ограниченно применяли в медицине для лучевой терапии (так называемые "радоновые ванны"). Однако из-за высокой радиологической опасности сегодня его практическое применение практически прекращено. Сейчас он представляет интерес в основном для геофизиков как индикатор сейсмической активности и представляет собой природную опасность в качестве источника радиации в непроветриваемых помещениях.
Ответ: Ранее применялся в радиотерапии, в настоящее время практического применения почти не имеет из-за радиоактивности.

Оганесон ($Og$)
Это сверхтяжёлый, искусственно синтезированный элемент. Он был получен в лабораторных условиях в ничтожных количествах. Его изотопы крайне нестабильны и имеют период полураспада в доли секунды. В связи с этим оганесон не имеет и не может иметь практического применения и является объектом исключительно фундаментальных научных исследований.
Ответ: Не имеет практического применения, является объектом научных исследований.

3. Чем отличается горение веществ в кислороде от их горения на воздухе?

Решение

Горение веществ в чистом кислороде и на воздухе — это по своей химической сути один и тот же процесс (реакция окисления), однако его протекание имеет существенные различия. Эти различия обусловлены составом газовой среды, в которой происходит горение.

Главное отличие заключается в концентрации окислителя — кислорода ($O_2$).

• Воздух — это газовая смесь, в которой кислород составляет примерно 21% по объему. Основная часть воздуха (около 78%) — это азот ($N_2$), который является инертным газом и в процессе горения, как правило, не участвует, а лишь поглощает тепло.
• Чистый кислород представляет собой среду со 100%-ной концентрацией окислителя.

Из-за этой разницы в концентрации кислорода возникают следующие отличия:

1. Скорость и интенсивность горения. Согласно закону действующих масс, скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Поскольку концентрация кислорода в чистом виде почти в 5 раз выше, чем в воздухе, горение в нём происходит гораздо быстрее, энергичнее и интенсивнее.
2. Температура горения. В чистом кислороде выделяющееся при реакции тепло не расходуется на нагрев инертного "балласта" в виде азота. Вся энергия идет на повышение температуры продуктов реакции и самого пламени. В результате температура пламени при сгорании в кислороде значительно выше, чем при сгорании на воздухе. Например, температура ацетилено-кислородного пламени достигает $3100-3300^\circ C$, в то время как температура ацетилено-воздушного пламени составляет всего $2100-2400^\circ C$.
3. Способность веществ к горению. Некоторые вещества, которые на воздухе горят очень медленно (тлеют) или не горят вовсе, в чистом кислороде могут воспламеняться и активно сгорать. Классическим примером является железо: стальная стружка на воздухе лишь раскаляется докрасна, а в колбе с чистым кислородом сгорает с яркой вспышкой, разбрасывая искры оксида железа.
4. Продукты реакции. Более высокая температура и избыток окислителя в среде чистого кислорода могут способствовать более полному сгоранию вещества с образованием высших оксидов. Например, при горении углерода в недостатке кислорода (что более вероятно в воздухе) может образовываться угарный газ ($CO$), тогда как в чистом кислороде с большей вероятностью образуется углекислый газ ($CO_2$).

Ответ: Горение веществ в кислороде отличается от их горения на воздухе тем, что оно происходит значительно быстрее, интенсивнее и при более высокой температуре. Кроме того, в чистом кислороде могут гореть даже те вещества, которые не способны гореть на воздухе. Эти различия вызваны тем, что в чистом кислороде концентрация окислителя (100%) почти в пять раз выше, чем в воздухе (около 21%), и отсутствует инертный газ (азот), который в воздухе замедляет реакцию и поглощает значительную часть выделяющегося тепла.

4. В чём сходство и различия горения простых и сложных веществ? Поясните на примерах.

Сходство горения простых и сложных веществ

Горение, как для простых, так и для сложных веществ, представляет собой химический процесс со следующими общими характеристиками:
- Это всегда окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой вещество (горючее) окисляется.
- Для горения необходим окислитель, которым чаще всего выступает кислород ($O_2$) из воздуха.
- Процесс является экзотермическим, то есть протекает с выделением большого количества теплоты и, как правило, света (в виде пламени).
- В результате горения образуются оксиды — соединения элементов с кислородом.

Примеры:
Горение простого вещества (углерода): Уголь, состоящий в основном из углерода, горит в кислороде, образуя оксид углерода(IV) и выделяя тепло и свет.
$C + O_2 \rightarrow CO_2 + Q$

Горение сложного вещества (метана): Природный газ, основной компонент которого — метан ($CH_4$), горит в кислороде, образуя оксид углерода(IV) и оксид водорода (воду), также с выделением тепла и света.
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Q$

Ответ: Сходство горения простых и сложных веществ заключается в том, что это всегда экзотермическая окислительно-восстановительная реакция с участием окислителя (чаще всего кислорода), в результате которой выделяется теплота и свет и образуются оксиды.

Различия горения простых и сложных веществ

Основное различие заключается в составе и количестве продуктов реакции.
- При горении простого вещества, состоящего из атомов одного химического элемента, образуется только один продукт — оксид этого элемента (в некоторых случаях может образовываться смесь оксидов одного элемента).
- При горении сложного вещества, состоящего из атомов нескольких химических элементов, образуется несколько продуктов — оксиды каждого из элементов, входящих в состав исходного вещества (при условии полного сгорания).

Примеры:
Горение простого вещества (серы): Сера ($S$) — простое вещество. При ее сгорании образуется только один продукт — оксид серы(IV).
$S + O_2 \rightarrow SO_2$

Горение сложного вещества (сероводорода): Сероводород ($H_2S$) — сложное вещество, состоящее из водорода и серы. При его сгорании образуются два продукта: оксид серы(IV) и оксид водорода (вода).
$2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$

Ответ: Различие состоит в продуктах реакции: при горении простого вещества образуется оксид одного элемента (как правило, один продукт), а при горении сложного вещества — оксиды всех элементов, входящих в его состав (несколько продуктов).

5. Руководствуясь правилами, приведёнными в параграфе, составьте уравнения реакций горения следующих веществ:

а) бария;

б) алюминия;

в) лития;

г) фосфора;

д) водорода;

е) сероводорода $H_2S$;

ж) этана $C_2H_6$;

з) ацетилена $C_2H_2$.

а)

Решение

Горение — это реакция вещества с кислородом. Барий ($Ba$), являясь металлом II группы главной подгруппы, при горении образует оксид бария ($BaO$). Запишем уравнение реакции и уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях. Сначала уравниваем кислород, ставя коэффициент 2 перед $BaO$. Затем уравниваем барий, ставя коэффициент 2 перед $Ba$.

Ответ: $2Ba + O_2 \rightarrow 2BaO$

б)

Решение

Алюминий ($Al$) — металл III группы главной подгруппы. При сгорании он образует оксид алюминия ($Al_2O_3$). Для уравнивания начинаем с кислорода: находим наименьшее общее кратное для 2 и 3, это 6. Ставим коэффициент 3 перед $O_2$ и 2 перед $Al_2O_3$. После этого в правой части получается 4 атома алюминия, значит, перед $Al$ в левой части ставим коэффициент 4.

Ответ: $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

в)

Решение

Литий ($Li$) — щелочной металл I группы. При горении на воздухе он образует оксид лития ($Li_2O$). Чтобы уравнять реакцию, сначала удваиваем количество кислорода в правой части, поставив коэффициент 2 перед $Li_2O$. Это дает нам 4 атома лития справа, поэтому ставим коэффициент 4 перед $Li$ слева.

Ответ: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

г)

Решение

Фосфор ($P$) при горении в избытке кислорода образует высший оксид — оксид фосфора(V) ($P_2O_5$). Для уравнивания сначала находим наименьшее общее кратное для атомов кислорода (2 и 5), равное 10. Ставим коэффициент 5 перед $O_2$ и 2 перед $P_2O_5$. Теперь в правой части 4 атома фосфора, поэтому ставим коэффициент 4 перед $P$ в левой части.

Ответ: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

д)

Решение

При горении водорода ($H_2$) в кислороде ($O_2$) образуется вода ($H_2O$). Для балансировки уравнения сначала уравниваем атомы кислорода, поставив коэффициент 2 перед $H_2O$. Это приводит к 4 атомам водорода в правой части, поэтому ставим коэффициент 2 перед $H_2$ в левой части.

Ответ: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

е)

Решение

При полном сгорании сероводорода ($H_2S$) образуются два оксида: оксид серы(IV) ($SO_2$) и вода ($H_2O$). Уравнивание начинаем с водорода и серы, они уже сбалансированы. В правой части 3 атома кислорода ($2$ в $SO_2$ и $1$ в $H_2O$). Чтобы получить целые коэффициенты, удваиваем все молекулы, кроме кислорода: $2H_2S + O_2 \rightarrow 2H_2O + 2SO_2$. Теперь справа $2 \cdot 1 + 2 \cdot 2 = 6$ атомов кислорода. Следовательно, перед $O_2$ слева ставим коэффициент 3.

Ответ: $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2H_2O + 2SO_2$

ж)

Решение

Этан ($C_2H_6$) — это углеводород. Продуктами его полного сгорания являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Уравниваем по стандартной схеме: углерод, водород, кислород.
1. Углерод: ставим 2 перед $CO_2$.
2. Водород: ставим 3 перед $H_2O$.
3. Кислород: в правой части $2 \cdot 2 + 3 \cdot 1 = 7$ атомов. Используем дробный коэффициент $7/2$ перед $O_2$.
Чтобы избавиться от дроби, умножаем все коэффициенты в уравнении на 2.

Ответ: $2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$

з)

Решение

Ацетилен ($C_2H_2$) также является углеводородом, и при его полном сгорании образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).
1. Углерод: ставим 2 перед $CO_2$.
2. Водород: количество атомов (2) уже сбалансировано.
3. Кислород: в правой части $2 \cdot 2 + 1 = 5$ атомов. Используем дробный коэффициент $5/2$ перед $O_2$.
Умножаем все коэффициенты на 2 для получения целых чисел.

Ответ: $2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$