Номер 5, страница 27 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

*5. Объясните, как с помощью закона Авогадро можно установить, что формула воды $H_2O$, а не $HO$.

Решение

Чтобы установить правильную химическую формулу воды, необходимо сопоставить экспериментальные данные о реакции синтеза воды с выводами, которые следуют из закона Авогадро.

1. Экспериментальные данные (Закон объёмных отношений Гей-Люссака). Опытным путем установлено, что при синтезе водяного пара из газообразных водорода и кислорода (при одинаковых температуре и давлении) объёмы газов соотносятся следующим образом: 2 объёма водорода реагируют с 1 объёмом кислорода, в результате чего образуется 2 объёма водяного пара. Таким образом, соотношение объёмов $ V(\text{водород}) : V(\text{кислород}) : V(\text{водяной пар}) $ равно $ 2:1:2 $.

2. Закон Авогадро. Закон утверждает, что в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температура и давление) содержится одинаковое число молекул.

3. Применение закона Авогадро к реакции. Из закона Авогадро следует, что соотношение объёмов газов в химической реакции равно соотношению числа их молекул. Значит, экспериментальное соотношение объёмов $ 2:1:2 $ можно трактовать на молекулярном уровне:

2 молекулы водорода + 1 молекула кислорода → 2 молекулы воды.

4. Проверка гипотетических формул. Теперь необходимо проверить, какая из предполагаемых формул воды ($ \text{H}_2\text{O} $ или $ \text{HO} $) согласуется с этим выводом. При этом мы используем установленный факт, что молекулы газообразного водорода и кислорода двухатомны ($ \text{H}_2 $ и $ \text{O}_2 $).

Сценарий 1: Формула воды — $ \text{H}_2\text{O} $.

Запишем уравнение реакции, исходя из того, что 2 молекулы $ \text{H}_2 $ и 1 молекула $ \text{O}_2 $ образуют 2 молекулы $ \text{H}_2\text{O} $:

$ 2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} $

Это уравнение сбалансировано по атомам: слева 4 атома водорода (в 2-х молекулах $ \text{H}_2 $) и 2 атома кислорода (в 1-й молекуле $ \text{O}_2 $); справа также 4 атома водорода и 2 атома кислорода (в 2-х молекулах $ \text{H}_2\text{O} $).

Коэффициенты в уравнении ($2:1:2$) полностью соответствуют соотношению молекул (и объёмов), установленному экспериментально. Эта гипотеза верна.

Сценарий 2: Формула воды — $ \text{HO} $.

Теперь предположим, что формула воды — $ \text{HO} $. Запишем сбалансированное уравнение реакции образования $ \text{HO} $ из $ \text{H}_2 $ и $ \text{O}_2 $:

$ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{HO} $

Это уравнение сбалансировано по атомам (слева 2 H и 2 O, справа 2 H и 2 O).

Однако, согласно коэффициентам в этом уравнении, соотношение реагирующих молекул (и объёмов) должно быть $ 1:1:2 $ (1 объём $ \text{H}_2 $ на 1 объём $ \text{O}_2 $ образует 2 объёма $ \text{HO} $).

Это теоретическое соотношение ($ 1:1:2 $) противоречит экспериментально наблюдаемому соотношению ($ 2:1:2 $).

Таким образом, сопоставление экспериментальных данных с законом Авогадро позволяет однозначно отклонить формулу $ \text{HO} $ и подтвердить, что химическая формула воды — $ \text{H}_2\text{O} $.

Ответ: Согласно закону Авогадро, соотношение объемов газов в реакции равно соотношению числа их молекул. Экспериментально установлено, что 2 объема водорода реагируют с 1 объемом кислорода, образуя 2 объема водяного пара (соотношение $ 2:1:2 $). Это означает, что 2 молекулы водорода ($ \text{H}_2 $) реагируют с 1 молекулой кислорода ($ \text{O}_2 $) с образованием 2 молекул воды. Это приводит к уравнению $ 2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} $, из которого следует формула воды $ \text{H}_2\text{O} $. Если бы формула воды была $ \text{HO} $, то уравнение реакции было бы $ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{HO} $, а соотношение объемов — $ 1:1:2 $, что противоречит опыту.