Страница 120 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Найдите элемент хлор в Периодической системе. Изобразите электронное строение атома хлора.

Решение

Для того чтобы изобразить электронное строение атома хлора, необходимо найти его в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и определить его ключевые характеристики.

Хлор (химический символ – Cl) расположен в 3-м периоде и в 17-й группе (или VIIA группе по старой классификации). Его порядковый (атомный) номер – 17.

Порядковый номер элемента определяет:

1. Заряд ядра атома. У хлора он равен $+17$.

2. Общее число электронов в нейтральном атоме. У хлора их 17.

Номер периода (3) указывает на количество энергетических уровней (электронных слоев), на которых располагаются электроны. У атома хлора их три.

Номер группы (VII для элементов главных подгрупп) указывает на число валентных электронов, то есть электронов на внешнем энергетическом уровне. У хлора их 7.

Зная общее число электронов и их распределение по уровням, можно составить схему строения атома и его электронную конфигурацию.

Схема строения атома:

Электроны распределяются по трем слоям. Первый слой вмещает максимум 2 электрона, второй – 8. Оставшиеся электроны $17 - 2 - 8 = 7$ находятся на третьем (внешнем) слое. Схематически это можно изобразить так:

$_{+17}Cl)₂ )₈ )₇$

Электронная конфигурация:

Это более подробная запись, которая показывает распределение 17 электронов по атомным орбиталям в порядке возрастания их энергии:

$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$

Эта формула показывает, что на внешнем, третьем энергетическом уровне ($n=3$) находится 7 электронов ($3s^2 3p^5$).

Электронно-графическая схема внешнего уровня:

Эта схема показывает, что на $3s$-подуровне находится одна пара спаренных электронов, а на $3p$-подуровне – две пары спаренных электронов и один неспаренный электрон. Наличие этого неспаренного электрона объясняет характерную для хлора валентность, равную I, в невозбужденном состоянии.

Ответ: Электронное строение атома хлора (Cl): общее число электронов – 17. Они расположены на трех электронных слоях. Схема распределения электронов по слоям: 2, 8, 7, что можно записать как $_{+17}Cl)₂ )₈ )₇$. Полная электронная конфигурация атома хлора: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.

2. Сколько протонов и электронов содержат атом хлора, молекула хлора, хлорид-ион?

Решение

Для определения количества протонов и электронов в указанных частицах воспользуемся информацией из периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

атом хлора

Хлор ($Cl$) имеет порядковый номер 17. Порядковый номер химического элемента равен числу протонов в ядре его атома. Так как атом электронейтрален, число электронов в нем равно числу протонов.

Число протонов ($p^+$) = 17.

Число электронов ($e^−$) = 17.

Ответ: атом хлора содержит 17 протонов и 17 электронов.

молекула хлора

Молекула хлора состоит из двух атомов хлора, её химическая формула — $Cl_2$. Чтобы найти общее число протонов и электронов в молекуле, необходимо сложить их количество для двух атомов. Молекула электронейтральна, поэтому общее число протонов равно общему числу электронов.

Число протонов ($p^+$) в молекуле = $17 \cdot 2 = 34$.

Число электронов ($e^−$) в молекуле = $17 \cdot 2 = 34$.

Ответ: молекула хлора содержит 34 протона и 34 электрона.

хлорид-ион

Хлорид-ион ($Cl^−$) образуется из атома хлора путём присоединения одного электрона. При этом количество протонов в ядре не изменяется, а количество электронов увеличивается на единицу, что и сообщает иону отрицательный заряд.

Число протонов ($p^+$) в ионе = 17.

Число электронов ($e^−$) в ионе = $17 (в атоме) + 1 = 18$.

Ответ: хлорид-ион содержит 17 протонов и 18 электронов.

3. Опишите физические и химические свойства хлора.

Физические свойства

Хлор ($Cl_2$) — это простое вещество, которое при нормальных условиях представляет собой двухатомный газ желто-зеленого цвета. Он обладает резким, удушливым запахом (похожим на запах хлорной извести) и является очень токсичным. При вдыхании в высоких концентрациях вызывает ожог легочной ткани и удушье.

Хлор примерно в 2.5 раза тяжелее воздуха, поэтому при утечках он будет скапливаться в низких местах, подвалах и туннелях.

Хлор умеренно растворяется в воде, образуя так называемую «хлорную воду», которая является смесью соляной ($HCl$) и хлорноватистой ($HClO$) кислот.

При повышении давления (выше 0.6 МПа) или охлаждении до температуры $-34.04$ °C хлор переходит в жидкое состояние, превращаясь в желто-зеленую жидкость. Твердеет хлор при температуре $-101.5$ °C.

Ответ: При нормальных условиях хлор — это ядовитый газ желто-зеленого цвета с резким запахом, тяжелее воздуха, умеренно растворимый в воде. Легко сжижается под давлением.

Химические свойства

Хлор — очень химически активный неметалл, сильный окислитель. Его высокая активность обусловлена высоким сродством к электрону (атом хлора имеет 7 валентных электронов и стремится завершить внешний электронный слой). В большинстве реакций хлор выступает как окислитель, принимая электрон и проявляя степень окисления -1. В соединениях с более электроотрицательными элементами (кислородом, фтором) может проявлять положительные степени окисления: +1, +3, +5, +7.

1. Взаимодействие с металлами. Хлор реагирует практически со всеми металлами, образуя соли — хлориды. Часто реакции протекают при небольшом нагревании.

- С активными металлами (щелочными, щелочноземельными) реагирует бурно, иногда с горением:

$2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$ (хлорид натрия)

- С менее активными металлами реагирует при нагревании, окисляя их до высших устойчивых степеней окисления:

$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3$ (хлорид железа(III))

$Cu + Cl_2 \xrightarrow{t} CuCl_2$ (хлорид меди(II))

2. Взаимодействие с неметаллами. Хлор не реагирует напрямую с кислородом, азотом, углеродом и инертными газами, но активно взаимодействует со многими другими неметаллами.

- С водородом образует хлороводород. Реакция на свету или при нагревании протекает со взрывом:

$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$

- С фосфором, в зависимости от соотношения реагентов, образует хлорид фосфора(III) или хлорид фосфора(V):

$2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$ (при избытке фосфора)

$2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$ (при избытке хлора)

3. Взаимодействие с водой и щелочами. В этих реакциях хлор диспропорционирует, то есть одновременно является и окислителем, и восстановителем.

- С водой реакция обратима:

$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$ (соляная и хлорноватистая кислоты)

Неустойчивая хлорноватистая кислота распадается с выделением атомарного кислорода, что обуславливает отбеливающие и дезинфицирующие свойства хлора в воде.

- Со щелочами реагирует по-разному в зависимости от температуры:

На холоде: $Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$ (образуется гипохлорит натрия — основной компонент отбеливателя «Белизна»)

При нагревании: $3Cl_2 + 6KOH \rightarrow 5KCl + KClO_3 + 3H_2O$ (образуется хлорат калия)

4. Вытеснение других галогенов. Будучи более активным галогеном, хлор вытесняет бром и иод из растворов их солей:

$Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2$

$Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$

5. Взаимодействие с органическими веществами.

- Реакции замещения с алканами (на свету):

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

- Реакции присоединения по кратным связям алкенов и алкинов:

$CH_2=CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CH_2Cl$

Ответ: Хлор — химически очень активный неметалл и сильный окислитель. Он взаимодействует с большинством металлов и многими неметаллами, вступает в реакции диспропорционирования с водой и щелочами, вытесняет бром и иод из их солей, а также участвует в реакциях замещения и присоединения с органическими соединениями.

4. Хлор реагирует с железом с образованием хлорида железа(III), а с медью — с образованием хлорида меди(II). Напишите уравнения реакций, укажите окислитель и восстановитель.

Хлор реагирует с железом с образованием хлорида железа(III)

Уравнение реакции взаимодействия хлора с железом имеет следующий вид. Хлор, как сильный окислитель, окисляет железо до степени окисления +3.

$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Определим окислитель и восстановитель, рассмотрев изменение степеней окисления атомов в ходе реакции:

$ \overset{0}{Fe} + \overset{0}{Cl_2} \rightarrow \overset{+3}{Fe}\overset{-1}{Cl_3} $

Составим электронный баланс:

$Fe^0 - 3e^- \rightarrow Fe^{+3}$ | 2 (процесс окисления)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 3 (процесс восстановления)

Атом железа ($Fe$) отдает электроны, повышая свою степень окисления, следовательно, железо является восстановителем.

Молекула хлора ($Cl_2$) принимает электроны, понижая степень окисления своих атомов, следовательно, хлор является окислителем.

Ответ: уравнение реакции: $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$; окислитель — хлор ($Cl_2$), восстановитель — железо ($Fe$).

а с медью — с образованием хлорида меди(II)

Уравнение реакции взаимодействия хлора с медью. В этой реакции хлор окисляет медь до степени окисления +2.

$Cu + Cl_2 \rightarrow CuCl_2$

Определим окислитель и восстановитель по изменению степеней окисления:

$ \overset{0}{Cu} + \overset{0}{Cl_2} \rightarrow \overset{+2}{Cu}\overset{-1}{Cl_2} $

Составим электронный баланс:

$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{+2}$ | 1 (процесс окисления)

$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 1 (процесс восстановления)

Атом меди ($Cu$) отдает электроны и является восстановителем.

Молекула хлора ($Cl_2$) принимает электроны и является окислителем.

Ответ: уравнение реакции: $Cu + Cl_2 \rightarrow CuCl_2$; окислитель — хлор ($Cl_2$), восстановитель — медь ($Cu$).

5. В пробирку с оксидом марганца(IV) ($MnO_2$) прилили соляную кислоту ($HCl$). К отверстию пробирки поднесли бумажку, смоченную раствором лакмуса. Она обесцветилась. Объясните это явление.

В пробирку с оксидом марганца(IV) ($MnO_2$) прилили соляную кислоту ($HCl$). Между этими веществами протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой оксид марганца(IV) выступает в роли окислителя, а соляная кислота — в роли восстановителя. Эта реакция является лабораторным способом получения хлора.

Уравнение реакции имеет следующий вид:

$$MnO_2 + 4HCl_{конц.} \rightarrow MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$$

В результате реакции выделяется газообразный хлор ($Cl_2$). Когда к отверстию пробирки подносят бумажку, смоченную раствором лакмуса, она является влажной. Хлор взаимодействует с водой ($H_2O$), содержащейся на бумажке, с образованием двух кислот — соляной ($HCl$) и хлорноватистой ($HClO$):

$$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$$

Хлорноватистая кислота ($HClO$) является очень сильным окислителем и обладает выраженными отбеливающими свойствами. Она окисляет органический краситель лакмус, разрушая его структуру, что приводит к исчезновению окраски. Именно поэтому лакмусовая бумажка обесцвечивается, а не просто меняет цвет на красный, как это было бы в присутствии только соляной кислоты.

Ответ: Обесцвечивание лакмусовой бумажки объясняется выделением в ходе реакции хлора ($Cl_2$). При контакте с водой на влажной бумажке хлор образует хлорноватистую кислоту ($HClO$), которая является сильным окислителем и отбеливающим средством, разрушающим краситель лакмус.

6. Определите массовую долю хлора в хлориде алюминия.

Дано:

Соединение: хлорид алюминия ($AlCl_3$).

Относительная атомная масса алюминия из Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: $Ar(Al) = 27$

Относительная атомная масса хлора: $Ar(Cl) = 35.5$

Найти:

Массовую долю хлора $\omega(Cl)$ в хлориде алюминия.

Решение:

Массовая доля элемента в сложном веществе — это отношение массы этого элемента в одной формульной единице вещества ко всей массе этой формульной единицы.

1. Сначала определим химическую формулу хлорида алюминия. Алюминий (Al) в соединениях проявляет постоянную валентность III, а хлор (Cl) в хлоридах — валентность I. Таким образом, химическая формула соединения — $AlCl_3$.

2. Рассчитаем относительную молекулярную массу ($Mr$) хлорида алюминия. Она равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы, с учётом их индексов.

$Mr(AlCl_3) = Ar(Al) + 3 \times Ar(Cl)$

Подставляем значения атомных масс:

$Mr(AlCl_3) = 27 + 3 \times 35.5 = 27 + 106.5 = 133.5$

3. Массовая доля элемента ($\omega$) в веществе вычисляется по формуле:

$\omega(\text{элемента}) = \frac{n \times Ar(\text{элемента})}{Mr(\text{вещества})}$

где $n$ — число атомов данного элемента в формульной единице.

4. В молекуле $AlCl_3$ содержится 3 атома хлора ($n=3$). Вычислим массовую долю хлора:

$\omega(Cl) = \frac{3 \times Ar(Cl)}{Mr(AlCl_3)} = \frac{3 \times 35.5}{133.5} = \frac{106.5}{133.5}$

$\omega(Cl) \approx 0.7977528...$

5. Обычно массовую долю выражают в процентах. Для этого полученное значение нужно умножить на 100%.

$\omega(Cl) = 0.7977528... \times 100\% \approx 79.8\%$

Ответ: массовая доля хлора в хлориде алюминия составляет 79.8%.

7. Какая масса хлора соединяется с 6 г водорода и какая масса хлороводорода при этом получается?

Дано:

$m(H_2) = 6 \text{ г}$

Найти:

$m(Cl_2) - ?$

$m(HCl) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия водорода с хлором. В этой реакции водород ($H_2$) и хлор ($Cl_2$) соединяются, образуя хлороводород ($HCl$):

$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

Из уравнения видно, что 1 моль водорода реагирует с 1 моль хлора, и в результате образуется 2 моль хлороводорода.

2. Для расчетов нам понадобятся молярные массы веществ. Найдем их, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы ($Ar(H) \approx 1$, $Ar(Cl) \approx 35.5$).

Молярная масса водорода ($H_2$):

$M(H_2) = 2 \cdot Ar(H) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$

Молярная масса хлора ($Cl_2$):

$M(Cl_2) = 2 \cdot Ar(Cl) = 2 \cdot 35.5 = 71 \text{ г/моль}$

Молярная масса хлороводорода ($HCl$):

$M(HCl) = Ar(H) + Ar(Cl) = 1 + 35.5 = 36.5 \text{ г/моль}$

3. Вычислим количество вещества (число молей) водорода в 6 г:

$n(H_2) = \frac{m(H_2)}{M(H_2)} = \frac{6 \text{ г}}{2 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

4. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, количество вещества хлора, вступающего в реакцию, равно количеству вещества водорода:

$n(Cl_2) = n(H_2) = 3 \text{ моль}$

5. Теперь можем рассчитать массу хлора, необходимую для реакции:

$m(Cl_2) = n(Cl_2) \cdot M(Cl_2) = 3 \text{ моль} \cdot 71 \text{ г/моль} = 213 \text{ г}$

6. Далее определим массу образовавшегося хлороводорода. Это можно сделать двумя способами.

Способ 1: По уравнению реакции.

Количество вещества хлороводорода в два раза больше количества вещества водорода:

$n(HCl) = 2 \cdot n(H_2) = 2 \cdot 3 \text{ моль} = 6 \text{ моль}$

Рассчитаем массу 6 моль хлороводорода:

$m(HCl) = n(HCl) \cdot M(HCl) = 6 \text{ моль} \cdot 36.5 \text{ г/моль} = 219 \text{ г}$

Способ 2: По закону сохранения массы.

Масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. В нашем случае масса хлороводорода равна сумме масс прореагировавших водорода и хлора.

$m(HCl) = m(H_2) + m(Cl_2)$

$m(HCl) = 6 \text{ г} + 213 \text{ г} = 219 \text{ г}$

Результаты, полученные обоими способами, совпадают, что подтверждает верность расчетов.

Ответ: для реакции с 6 г водорода соединяется 213 г хлора, и при этом получается 219 г хлороводорода.

8. Найдите массу оксида марганца(IV), которую требуется взять для получения 14,2 г хлора из соляной кислоты.

Дано:

$m(Cl_2) = 14,2$ г

Найти:

$m(MnO_2)$ — ?

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции получения хлора при взаимодействии оксида марганца(IV) с соляной кислотой. В ходе этой окислительно-восстановительной реакции образуются хлорид марганца(II), газообразный хлор и вода.

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Для решения задачи нам потребуются молярные массы оксида марганца(IV) ($MnO_2$) и хлора ($Cl_2$). Рассчитаем их, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы:

Относительная атомная масса марганца $Ar(Mn) \approx 55$.

Относительная атомная масса кислорода $Ar(O) \approx 16$.

Относительная атомная масса хлора $Ar(Cl) \approx 35,5$.

Молярная масса оксида марганца(IV):

$M(MnO_2) = Ar(Mn) + 2 \cdot Ar(O) = 55 + 2 \cdot 16 = 87$ г/моль.

Молярная масса хлора:

$M(Cl_2) = 2 \cdot Ar(Cl) = 2 \cdot 35,5 = 71$ г/моль.

3. Найдем количество вещества (моль) выделившегося хлора по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(Cl_2) = \frac{m(Cl_2)}{M(Cl_2)} = \frac{14,2 \text{ г}}{71 \text{ г/моль}} = 0,2$ моль.

4. Согласно уравнению реакции, для получения 1 моль хлора ($Cl_2$) требуется 1 моль оксида марганца(IV) ($MnO_2$). Соотношение их количеств веществ составляет 1:1.

$\frac{n(MnO_2)}{1} = \frac{n(Cl_2)}{1}$

Следовательно, количество вещества оксида марганца(IV), вступившего в реакцию, равно количеству вещества полученного хлора:

$n(MnO_2) = n(Cl_2) = 0,2$ моль.

5. Зная количество вещества и молярную массу оксида марганца(IV), рассчитаем его массу по формуле $m = n \cdot M$:

$m(MnO_2) = n(MnO_2) \cdot M(MnO_2) = 0,2 \text{ моль} \cdot 87 \text{ г/моль} = 17,4$ г.

Ответ: для получения 14,2 г хлора требуется взять 17,4 г оксида марганца(IV).

9. Во сколько раз хлор тяжелее воздуха? Рассчитайте плотность хлора при нормальных условиях.

Во сколько раз хлор тяжелее воздуха? Дано:

Газ 1: Хлор ($Cl_2$)

Газ 2: Воздух

Найти:

Отношение плотности хлора к плотности воздуха, $\frac{\rho_{Cl_2}}{\rho_{воздух}}$.

Решение:

Чтобы найти, во сколько раз один газ тяжелее другого, нужно найти отношение их плотностей. Это отношение называется относительной плотностью. Согласно следствию из уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева-Клапейрона), при одинаковых температуре ($T$) и давлении ($P$) отношение плотностей двух газов равно отношению их молярных масс ($M$).

Плотность газа $\rho$ можно выразить из уравнения Менделеева-Клапейрона $PV = \frac{m}{M}RT$ как $\rho = \frac{m}{V} = \frac{PM}{RT}$.

Тогда отношение плотностей хлора и воздуха будет равно:

$\frac{\rho_{Cl_2}}{\rho_{воздух}} = \frac{\frac{P \cdot M(Cl_2)}{RT}}{\frac{P \cdot M_{воздух}}{RT}} = \frac{M(Cl_2)}{M_{воздух}}$

Эта величина также называется относительной плотностью хлора по воздуху ($D_{воздух}(Cl_2)$).

Вычислим молярную массу хлора. Атомная масса хлора $A_r(Cl) \approx 35.5 \text{ г/моль}$. Молекула хлора двухатомная ($Cl_2$):

$M(Cl_2) = 2 \times 35.5 = 71 \text{ г/моль}$

Средняя молярная масса воздуха является справочной величиной и принимается равной $M_{воздух} \approx 29 \text{ г/моль}$.

Теперь можем рассчитать искомое отношение:

$D_{воздух}(Cl_2) = \frac{71 \text{ г/моль}}{29 \text{ г/моль}} \approx 2.448$

Округляя результат до сотых, получаем 2,45.

Ответ: хлор тяжелее воздуха примерно в 2,45 раза.

Рассчитайте плотность хлора при нормальных условиях. Дано:

Газ: Хлор ($Cl_2$)

Условия: нормальные (н.у.), что соответствует температуре $T = 0^{\circ}\text{C}$ и давлению $P = 1 \text{ атм}$.

Молярная масса хлора, $M(Cl_2) = 71 \text{ г/моль}$

Молярный объем идеального газа при н.у., $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$

Перевод в систему СИ:

$M(Cl_2) = 0.071 \text{ кг/моль}$

$V_m = 0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}$

Найти:

Плотность хлора при н.у. - $\rho(Cl_2)$.

Решение:

Плотность ($\rho$) вещества — это отношение его массы ($m$) к объему ($V$). Для одного моля газа при нормальных условиях масса равна молярной массе ($M$), а объем — молярному объему ($V_m$).

Формула для расчета плотности газа при н.у.:

$\rho = \frac{M}{V_m}$

Используя значения для хлора ($M(Cl_2) = 71 \text{ г/моль}$) и молярный объем при н.у. ($V_m = 22.4 \text{ л/моль}$), рассчитаем плотность в г/л:

$\rho(Cl_2) = \frac{71 \text{ г/моль}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 3.1696 \text{ г/л}$

Округляя результат до сотых, получаем $3.17 \text{ г/л}$.

Эту же плотность можно выразить в единицах СИ (кг/м³). Для этого можно использовать значения в СИ из раздела "Дано" или перевести конечный результат, зная, что $1 \text{ г/л} = 1 \text{ кг/м}^3$.

$\rho(Cl_2) = \frac{0.071 \text{ кг/моль}}{0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}} \approx 3.1696 \text{ кг/м}^3 \approx 3.17 \text{ кг/м}^3$

Ответ: плотность хлора при нормальных условиях составляет примерно 3,17 г/л (что эквивалентно 3,17 кг/м³).

*10. При комнатной температуре (25 °C) в одном объеме воды растворяется два объема хлора. Рассчитайте массовую долю и молярную концентрацию хлора в насыщенной хлорной воде (плотность хлорной воды равна 1,0 г/мл).

Дано:

$t = 25 \text{ °C}$

Растворимость хлора: $\frac{V(\text{Cl}_2)}{V(\text{H}_2\text{O})} = \frac{2}{1}$

$\rho(\text{раствора}) = 1,0 \text{ г/мл}$

Перевод данных в систему СИ:

$T = 25 + 273,15 = 298,15 \text{ К}$

$\rho(\text{раствора}) = 1,0 \frac{\text{г}}{\text{мл}} = 1,0 \frac{10^{-3} \text{ кг}}{10^{-6} \text{ м}^3} = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Найти:

$\omega(\text{Cl}_2) - ?$

$C(\text{Cl}_2) - ?$

Решение:

Для удобства расчетов примем объем воды $V(\text{H}_2\text{O})$ равным 1 литру. Плотность чистой воды при комнатной температуре близка к 1,0 г/мл, поэтому будем считать, что масса 1 л воды составляет 1000 г.

$V(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ л} = 1000 \text{ мл}$

$m(\text{H}_2\text{O}) = 1000 \text{ мл} \cdot 1,0 \text{ г/мл} = 1000 \text{ г}$

Согласно условию, в этом объеме воды растворяется 2 литра хлора:

$V(\text{Cl}_2) = 2 \cdot V(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 1 \text{ л} = 2 \text{ л}$

В подобных задачах, если не указаны конкретные условия (давление и температура), при которых измерен объем газа, его объем принято приводить к нормальным условиям (н.у.: $t=0$ °C, $P=1$ атм). Молярный объем идеального газа при н.у. ($V_m$) равен 22,4 л/моль. Найдем количество вещества хлора:

$n(\text{Cl}_2) = \frac{V(\text{Cl}_2)}{V_m} = \frac{2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,0893 \text{ моль}$

Молярная масса хлора $M(\text{Cl}_2) = 2 \cdot 35,5 = 71 \text{ г/моль}$. Найдем массу растворенного хлора:

$m(\text{Cl}_2) = n(\text{Cl}_2) \cdot M(\text{Cl}_2) \approx 0,0893 \text{ моль} \cdot 71 \text{ г/моль} \approx 6,34 \text{ г}$

Зная массы компонентов, мы можем рассчитать искомые величины.

Расчет массовой доли хлора

Массовая доля вещества в растворе ($\omega$) вычисляется как отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. Сначала найдем массу насыщенного раствора:

$m(\text{раствора}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{Cl}_2) = 1000 \text{ г} + 6,34 \text{ г} = 1006,34 \text{ г}$

Теперь рассчитаем массовую долю хлора, выраженную в процентах:

$\omega(\text{Cl}_2) = \frac{m(\text{Cl}_2)}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{6,34 \text{ г}}{1006,34 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,63\%$

Ответ: массовая доля хлора в насыщенной хлорной воде составляет примерно 0,63%.

Расчет молярной концентрации хлора

Молярная концентрация ($C$) вычисляется как отношение количества вещества к объему раствора в литрах. Найдем объем раствора, используя его массу и заданную плотность:

$V(\text{раствора}) = \frac{m(\text{раствора})}{\rho(\text{раствора})} = \frac{1006,34 \text{ г}}{1,0 \text{ г/мл}} = 1006,34 \text{ мл} \approx 1,006 \text{ л}$

Теперь рассчитаем молярную концентрацию хлора:

$C(\text{Cl}_2) = \frac{n(\text{Cl}_2)}{V(\text{раствора})} = \frac{0,0893 \text{ моль}}{1,006 \text{ л}} \approx 0,089 \text{ моль/л}$

Ответ: молярная концентрация хлора в насыщенной хлорной воде составляет примерно 0,089 моль/л.

11.В реакциях с каким веществом хлор проявляет свойства восстановителя? Напишите уравнение реакции, если известно, что в продукте хлор имеет степень окисления +5.

В реакциях с каким веществом хлор проявляет свойства восстановителя?

Восстановитель — это вещество, которое в ходе окислительно-восстановительной реакции отдает электроны, при этом его степень окисления повышается. Степень окисления хлора в простом веществе ($Cl_2$) равна нулю. Чтобы хлор проявил свойства восстановителя, он должен прореагировать с более сильным окислителем, чем он сам. Такими окислителями могут быть фтор, кислород, озон, а также сложные вещества, содержащие элементы в высшей степени окисления.

На практике для получения соединений хлора со степенью окисления $+5$ часто используют реакцию диспропорционирования хлора в горячем концентрированном растворе щелочи, например, гидроксида калия ($KOH$). В этой реакции часть атомов хлора окисляется (выступая восстановителем), а другая часть — восстанавливается (выступая окислителем).

Ответ: Хлор проявляет свойства восстановителя в реакциях с более сильными, чем он, окислителями. Примером такого вещества может служить гидроксид калия в горячем концентрированном растворе, с которым хлор вступает в реакцию диспропорционирования.

Напишите уравнение реакции, если известно, что в продукте хлор имеет степень окисления +5.

Степень окисления $+5$ хлор имеет в соединениях, содержащих хлорат-ион ($ClO_3^-$), например, в хлорате калия ($KClO_3$). Уравнение реакции взаимодействия хлора с горячим раствором гидроксида калия выглядит следующим образом:

$3\overset{0}{Cl_2} + 6KOH \xrightarrow{t°} 5K\overset{-1}{Cl} + K\overset{+5}{Cl}O_3 + 3H_2O$

В ходе этой реакции происходят следующие процессы изменения степеней окисления:

• $Cl^0 \rightarrow Cl^{+5}$ (в составе $KClO_3$) — окисление, хлор является восстановителем.
• $Cl^0 \rightarrow Cl^{-1}$ (в составе $KCl$) — восстановление, хлор является окислителем.

Таким образом, в данной реакции хлор проявляет двойственную окислительно-восстановительную функцию, в том числе и свойства восстановителя, образуя продукт со степенью окисления $+5$.

Ответ: $3Cl_2 + 6KOH \xrightarrow{t°} 5KCl + KClO_3 + 3H_2O$