Страница 138 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

1. Какое строение имеет молекула воды? За счёт какой химической связи она образуется? Какие другие типы химических связей вы знаете?

Какое строение имеет молекула воды?
Молекула воды, химическая формула которой $H_2O$, состоит из одного атома кислорода ($O$), связанного с двумя атомами водорода ($H$). Молекула имеет нелинейное, угловое (или изогнутое) строение. Атом кислорода находится в вершине угла, а атомы водорода — по сторонам. Валентный угол между связями $O-H$, то есть угол $H-O-H$, составляет приблизительно $104,45^\circ$. Такая геометрия объясняется теорией отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR). Атом кислорода, помимо двух связывающих электронных пар, имеет две неподелённые (одиночные) электронные пары. Эти четыре электронные пары располагаются в пространстве, стремясь максимально удалиться друг от друга, что соответствует тетраэдрической ориентации. Однако неподелённые пары отталкиваются сильнее, чем связывающие, что приводит к сжатию угла $H-O-H$ со $109,5^\circ$ (идеальный тетраэдрический угол) до $104,45^\circ$. Из-за разницы в электроотрицательности кислорода и водорода и асимметричного строения молекула воды является полярной (диполем): на атоме кислорода концентрируется частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($\delta+$).
Ответ: Молекула воды ($H_2O$) имеет угловое строение с валентным углом $H-O-H$ около $104,5^\circ$ и является полярной (диполем).

За счёт какой химической связи она образуется?
Атомы в молекуле воды соединены полярной ковалентной связью. Ковалентная связь возникает, когда атомы образуют общие электронные пары. В случае воды связь является полярной, так как кислород — значительно более электроотрицательный элемент, чем водород. Это означает, что кислород сильнее притягивает к себе общие электроны. В результате этого смещения электронная плотность повышается у атома кислорода и понижается у атомов водорода, что и создаёт частичные заряды ($\delta-$ и $\delta+$).
Помимо внутримолекулярных связей, для воды характерны сильные межмолекулярные взаимодействия — водородные связи. Они образуются за счёт электростатического притяжения между частично положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и частично отрицательно заряженным атомом кислорода соседней молекулы. Именно водородные связи обусловливают многие аномальные свойства воды (например, высокую температуру кипения, высокую теплоёмкость, расширение при замерзании).
Ответ: Внутри молекулы воды атомы соединены полярной ковалентной связью. Между молекулами воды существуют водородные связи.

Какие другие типы химических связей вы знаете?
Существует несколько основных типов химической связи:
1. Ионная связь — образуется между атомами с большой разницей в электроотрицательности (обычно между металлом и неметаллом) за счёт электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. Ионы образуются в результате практически полной передачи одного или нескольких электронов от атома металла к атому неметалла. Примеры соединений: хлорид натрия ($NaCl$), оксид магния ($MgO$).
2. Ковалентная связь — помимо полярной, бывает неполярной. Она возникает между атомами с одинаковой электроотрицательностью (например, в молекулах простых веществ-неметаллов: $H_2$, $O_2$, $N_2$). В этом случае общие электронные пары не смещаются ни к одному из атомов.
3. Металлическая связь — существует в металлах и их сплавах. Она характеризуется наличием положительно заряженных ионов металлов, расположенных в узлах кристаллической решётки, и «электронного газа» — обобществлённых валентных электронов, которые свободно перемещаются по всему объёму металла. Это обусловливает их высокую электро- и теплопроводность, пластичность.
4. Водородная связь — как уже упоминалось, это особый вид межмолекулярного или внутримолекулярного взаимодействия, значительно более сильный, чем обычные ван-дер-ваальсовы силы.
Ответ: Другие основные типы химических связей — это ионная, ковалентная неполярная и металлическая.

2. Какая связь называется водородной? Как она определяет физические свойства воды?

Какая связь называется водородной?

Водородная связь — это вид межмолекулярного (или, реже, внутримолекулярного) взаимодействия. Она возникает между атомом водорода, который ковалентно связан с сильно электроотрицательным атомом (чаще всего это кислород $O$, азот $N$ или фтор $F$), и другим электроотрицательным атомом, имеющим неподеленную электронную пару.

Механизм образования водородной связи следующий:

1. Электроотрицательный атом (обозначим его A) оттягивает на себя общую электронную пару от атома водорода $H$.
2. В результате этого смещения на атоме водорода возникает частичный положительный заряд ($H^{\delta+}$), а на атоме A — частичный отрицательный заряд ($A^{\delta-}$). Связь A-H становится полярной.
3. Положительно поляризованный атом водорода ($H^{\delta+}$) одной молекулы притягивается к неподеленной электронной паре отрицательно поляризованного атома B (который также является электроотрицательным, например, O, N или F) другой молекулы.

Это электростатическое притяжение $A^{\delta-}-H^{\delta+} \cdot\cdot\cdot B^{\delta-}$ и называется водородной связью. Она значительно слабее ковалентной связи, но является самой сильной из межмолекулярных связей.

Ответ: Водородная связь — это электростатическое притяжение между положительно поляризованным атомом водорода ($H^{\delta+}$), ковалентно связанным с сильно электроотрицательным атомом (F, O, N), и неподеленной электронной парой другого электроотрицательного атома в соседней (или той же) молекуле.

Как она определяет физические свойства воды?

Молекула воды ($H_2O$) состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Из-за высокой электроотрицательности кислорода и изогнутой формы молекулы, она является ярко выраженным диполем. Это позволяет каждой молекуле воды образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами. Образуется прочная пространственная сетка, которая и определяет уникальные (аномальные) физические свойства воды.

• Высокие температуры кипения ($100^\circ C$) и плавления ($0^\circ C$): Для того чтобы разорвать многочисленные водородные связи и перевести воду в газообразное состояние (кипение) или просто заставить молекулы двигаться свободнее в жидкости (плавление), требуется большое количество энергии. Без водородных связей вода кипела бы при температуре около $-80^\circ C$.
• Высокая удельная теплоемкость: Вода может поглощать большое количество тепла, при этом ее собственная температура повышается незначительно. Это происходит потому, что большая часть энергии уходит не на увеличение скорости движения молекул, а на разрыв водородных связей. Это свойство критически важно для терморегуляции живых организмов и климата Земли.
• Аномалия плотности: При замерзании молекулы воды выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку (лёд), где расстояние между молекулами, зафиксированное водородными связями, оказывается больше, чем в жидком состоянии. Поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды, и лёд плавает на поверхности, защищая водоемы от полного промерзания зимой. Максимальную плотность вода имеет при $4^\circ C$.
• Высокое поверхностное натяжение: Сильное взаимное притяжение молекул воды из-за водородных связей приводит к высокому поверхностному натяжению. Молекулы на поверхности втягиваются внутрь объема жидкости, создавая подобие упругой пленки.
• Хороший растворитель: Полярность молекул воды и их способность образовывать водородные связи делают воду универсальным растворителем для многих полярных и ионных соединений. Молекулы воды окружают ионы или полярные молекулы растворяемого вещества, способствуя его диссоциации.

Ответ: Наличие прочных водородных связей между молекулами воды обуславливает ее аномально высокие температуры кипения и плавления, высокую теплоемкость, высокое поверхностное натяжение, а также тот факт, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. Эти же свойства делают воду универсальным полярным растворителем.

3. Какие аномалии физических свойств воды вы знаете? Какую роль они играют в природе?

Какие аномалии физических свойств воды вы знаете?

Вода ($H_2O$) обладает целым рядом уникальных, или аномальных, физических свойств, которые отличают её от большинства других веществ. Эти свойства обусловлены полярной структурой молекул воды и способностью образовывать между собой прочные водородные связи. Ключевыми аномалиями являются:

1. Аномалия плотности. В отличие от почти всех других веществ, плотность которых монотонно возрастает при охлаждении, вода имеет максимальную плотность при температуре около $4^\circ\text{C}$ (точнее, $3.98^\circ\text{C}$). При дальнейшем охлаждении до $0^\circ\text{C}$ вода начинает расширяться, и её плотность уменьшается. При переходе в твёрдое состояние (лёд) вода расширяется ещё больше (примерно на 9% по объёму), в результате чего лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.

2. Аномально высокая удельная теплоёмкость. У воды одна из самых высоких удельных теплоёмкостей среди всех известных веществ ($c \approx 4200 \, \text{Дж/(кг}\cdot\text{К)}$). Это означает, что для изменения температуры воды на один градус требуется поглотить или отдать очень большое количество теплоты.

3. Аномально высокие удельные теплоты фазовых переходов. Вода обладает высокой удельной теплотой плавления (энергия, необходимая для таяния льда) и исключительно высокой удельной теплотой парообразования (энергия, необходимая для превращения воды в пар).

4. Аномально высокое поверхностное натяжение. Из-за сильных водородных связей между молекулами вода имеет очень высокое поверхностное натяжение, уступая из распространенных жидкостей только ртути. Это свойство заставляет поверхность воды вести себя как упругая плёнка.

5. Свойства универсального растворителя. Благодаря полярности своих молекул, вода является превосходным растворителем для огромного количества полярных и ионных веществ, таких как соли, кислоты, щёлочи и сахара.

Ответ: Основные аномалии физических свойств воды включают: аномальную зависимость плотности от температуры (максимум при $4^\circ\text{C}$ и расширение при замерзании), аномально высокую удельную теплоёмкость, аномально высокие теплоты плавления и парообразования, высокое поверхностное натяжение и свойства универсального растворителя.

Какую роль они играют в природе?

Каждая из перечисленных аномалий играет фундаментальную роль в поддержании жизни и формировании природных условий на нашей планете.

1. Роль аномалии плотности. Так как лёд легче воды, он образуется на поверхности водоёмов, создавая теплоизолирующий слой. Этот слой предохраняет глубинные слои воды от промерзания, что позволяет водным организмам (рыбам, растениям и др.) выживать в зимний период. Без этой аномалии озёра и реки промерзали бы до дна, уничтожая всё живое.

2. Роль высокой теплоёмкости. Мировой океан, занимающий большую часть поверхности Земли, действует как гигантский аккумулятор тепла. Он поглощает избыток тепла летом и отдаёт его зимой, смягчая климат на планете и предотвращая резкие перепады температур. Это свойство также помогает живым организмам, состоящим в основном из воды, поддерживать стабильную температуру тела.

3. Роль высоких теплот фазовых переходов. Высокая теплота парообразования лежит в основе механизма терморегуляции у многих живых существ (например, охлаждение через потоотделение) и играет ключевую роль в глобальном переносе тепла в атмосфере. Высокая теплота плавления замедляет таяние снегов и льдов весной, предотвращая катастрофические наводнения, и замедляет наступление холодов осенью за счёт выделения тепла при замерзании воды.

4. Роль высокого поверхностного натяжения. Это свойство ответственно за капиллярный эффект — способность воды подниматься по узким трубкам (капиллярам) вопреки силе тяжести. Именно так вода с растворёнными минералами поднимается от корней к листьям высоких деревьев и пропитывает почву.

5. Роль универсального растворителя. Вода является средой, в которой протекают практически все биохимические реакции в живых клетках. Она растворяет и транспортирует питательные вещества (в крови и соках растений), а также выводит продукты жизнедеятельности. В природе вода вымывает минералы из горных пород, делая их доступными для живых организмов.

Ответ: Аномальные свойства воды играют ключевую роль в природе: они обеспечивают стабильность климата на планете (высокая теплоёмкость), создают условия для выживания водных организмов зимой (аномалия плотности), обеспечивают транспорт веществ в живых системах и почве (свойства растворителя и поверхностное натяжение) и служат механизмом терморегуляции для живых существ и планеты в целом (высокие теплоты фазовых переходов).

4. Растворение называют физико-химическим процессом. Как растворимость характеризует свойства воды? Как по этому признаку делятся вещества? Для ответа на вопрос обратитесь к таблице растворимости.

Растворение является сложным физико-химическим процессом. С физической точки зрения, это диффузия, то есть равномерное распределение частиц одного вещества между частицами другого. С химической точки зрения, происходит взаимодействие между частицами растворителя и растворяемого вещества, которое называется сольватацией (а в случае с водой — гидратацией), что приводит к образованию новых соединений — гидратов.

Как растворимость характеризует свойства воды?

Растворимость различных веществ в воде характеризует её как уникальный и универсальный полярный растворитель. Молекула воды ($H_2O$) является полярной, то есть представляет собой диполь: на атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд ($δ-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($δ+$). Благодаря этой полярности молекулы воды могут окружать ионы или полярные молекулы растворяемого вещества, ослабляя связи между ними и способствуя их переходу в раствор. Этот процесс взаимодействия молекул воды с частицами растворяемого вещества называется гидратацией. Способность воды растворять огромное количество солей, кислот, оснований и некоторых органических соединений является одним из её важнейших химических свойств, определяющих её роль в природе и технике.

Ответ: Растворимость характеризует воду как универсальный полярный растворитель, способный взаимодействовать с частицами многих веществ и переводить их в раствор благодаря дипольному строению своих молекул.

Как по этому признаку делятся вещества?

По признаку растворимости в воде вещества принято делить на три основные группы. Эта классификация основана на количественном показателе — массе вещества, способной раствориться в 100 г воды при определённой температуре (обычно 20°C). Данные о растворимости кислот, оснований и солей сведены в специальную таблицу — таблицу растворимости.

• Растворимые (Р): вещества, растворимость которых превышает 1 г на 100 г воды. В таблице растворимости они обозначаются буквой «Р». Примеры: поваренная соль ($NaCl$), нитрат калия ($KNO_3$), гидроксид натрия ($NaOH$).
• Малорастворимые (М): вещества, растворимость которых находится в пределах от 0,01 г до 1 г на 100 г воды. В таблице они обозначаются буквой «М». Примеры: сульфат кальция ($CaSO_4$), гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$).
• Нерастворимые (Н): вещества, растворимость которых составляет менее 0,01 г на 100 г воды. В таблице они обозначаются буквой «Н». Важно понимать, что абсолютно нерастворимых веществ не существует, просто их растворимость крайне мала. Примеры: хлорид серебра ($AgCl$), сульфат бария ($BaSO_4$), гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$).

Ответ: По растворимости в воде вещества делятся на хорошо растворимые (растворимость > 1 г/100 г $H_2O$), малорастворимые (растворимость от 0,01 до 1 г/100 г $H_2O$) и практически нерастворимые (растворимость < 0,01 г/100 г $H_2O$).

5. Какие вещества называются гидрофильными, а какие — гидрофобными? Приведите примеры.

Гидрофильные вещества

Гидрофильные (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φιλία — любовь, дружба) вещества — это химические соединения, которые обладают сильным сродством к воде. Они легко поглощают воду, растворяются в ней или смачиваются ею.

Это свойство обусловлено полярностью их молекул. Молекула воды ($H_2O$) является полярным растворителем. Гидрофильные вещества, в свою очередь, также являются полярными или ионными соединениями. Благодаря этому между их частицами (молекулами, ионами) и полярными молекулами воды возникают прочные межмолекулярные взаимодействия, в первую очередь водородные связи. Это приводит к хорошей растворимости или смачиваемости. Здесь работает принцип «подобное растворяется в подобном».

Примеры гидрофильных веществ:

• Соли (например, поваренная соль $NaCl$, которая в воде распадается на ионы)
• Сахара (глюкоза, сахароза), молекулы которых содержат много полярных гидроксильных групп (-OH)
• Простые спирты (этанол, глицерин)
• Кислоты (уксусная, лимонная) и щёлочи (гидроксид натрия)
• Материалы на основе целлюлозы (бумага, хлопок, древесина)

Ответ: Гидрофильные вещества — это полярные или ионные соединения, которые хорошо растворяются в воде или смачиваются ею благодаря своей способности образовывать с ней прочные межмолекулярные связи (например, водородные). Примерами служат соль, сахар, спирт, кислоты.

Гидрофобные вещества

Гидрофобные (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — страх) вещества — это соединения, которые отталкиваются от воды. Они не растворяются в ней, не смешиваются с ней и не смачиваются ею.

Это свойство характерно для неполярных молекул (например, состоящих в основном из атомов углерода и водорода). Поскольку молекулы воды полярны и сильно притягиваются друг к другу, они «выталкивают» из своей среды неполярные молекулы, так как взаимодействие между водой и гидрофобным веществом энергетически менее выгодно, чем взаимодействие молекул воды между собой. Это явление известно как гидрофобный эффект.

Примеры гидрофобных веществ:

• Жиры и масла (липиды)
• Углеводороды (парафин, бензин, нефть)
• Воски
• Большинство пластмасс (полиэтилен, полипропилен)
• Жирорастворимые витамины (A, D, E, K)
• Резина

Ответ: Гидрофобные вещества — это неполярные соединения, которые не могут образовывать прочные связи с молекулами воды, поэтому они не растворяются в ней и отталкиваются от неё. Примерами являются жиры, масла, воск, пластмассы и нефтепродукты.

6. Перечислите химические свойства воды, иллюстрируя их уравнениями соответствующих реакций. Какую роль играют эти свойства в природе?

Вода ($H_2O$) — уникальное вещество, обладающее рядом химических свойств, которые играют фундаментальную роль в природе и жизни на Земле. Ниже перечислены основные из них с иллюстрациями в виде уравнений реакций и описанием их значения.

1. Взаимодействие с активными металлами и металлами средней активности

Вода реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами при комнатной температуре, а также с менее активными металлами (например, железом, цинком) при сильном нагревании. В этих реакциях вода выступает как окислитель, а металл — как восстановитель. Продуктами реакции с активными металлами являются гидроксид и водород.

Уравнения реакций:

С активным металлом (калий): $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$

С металлом средней активности (железо) при высокой температуре: $3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4 + 4H_2 \uparrow$

Роль в природе: Активные металлы не встречаются в природе в свободном состоянии, поэтому такая реакция не протекает в естественных условиях. Однако она лежит в основе многих промышленных процессов, а также помогает понять процессы коррозии металлов, где вода является одним из ключевых агентов.

Ответ: Вода реагирует с активными металлами, образуя щелочь и водород (например, $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2 \uparrow$), и с менее активными при нагревании, образуя оксид и водород. В природе это свойство имеет значение в процессах коррозии металлов.

2. Взаимодействие с оксидами

Вода вступает в реакции соединения с оксидами многих металлов и неметаллов.

• При реакции с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов (основными оксидами) образуются соответствующие основания (щелочи).
  Уравнение реакции: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$
• При реакции с оксидами неметаллов (кислотными оксидами) образуются кислоты.
  Уравнения реакций: $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$ (угольная кислота), $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$ (серная кислота)

Роль в природе: Это свойство имеет огромное значение. Растворение диоксида углерода ($CO_2$) из атмосферы в природных водах с образованием слабой угольной кислоты приводит к химическому выветриванию известняков и других карбонатных пород, формированию пещер и карстовых ландшафтов. Реакции воды с оксидами серы и азота, попадающими в атмосферу в результате промышленных выбросов и вулканической активности, являются причиной выпадения кислотных дождей, наносящих вред экосистемам.

Ответ: Вода реагирует с основными оксидами, образуя основания ($CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$), и с кислотными оксидами, образуя кислоты ($CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$). В природе эти реакции ответственны за химическое выветривание пород, формирование кислотных дождей и регулирование кислотности природных водоемов.

3. Реакции гидролиза

Гидролиз — это реакция обменного разложения веществ с водой. Гидролизу подвергаются многие соли, а также органические соединения (жиры, белки, углеводы, сложные эфиры).

Уравнения реакций:

Гидролиз соли (карбоната натрия), создающий щелочную среду: $Na_2CO_3 + H_2O \rightleftharpoons NaHCO_3 + NaOH$ (в ионном виде: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$)

Гидролиз органического вещества (сахарозы) при участии ферментов: $C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{ферменты} C_6H_{12}O_6 \text{(глюкоза)} + C_6H_{12}O_6 \text{(фруктоза)}$

Роль в природе: Гидролиз является основой пищеварения у всех живых организмов, в ходе которого сложные органические молекулы пищи расщепляются на более простые, усваиваемые организмом. В геологии гидролиз силикатных минералов является важнейшим процессом химического выветривания, ведущим к образованию глин и других вторичных минералов, формирующих почву.

Ответ: Вода вызывает гидролиз солей и органических веществ, что играет ключевую роль в процессах пищеварения и обмена веществ у живых организмов, а также в геологическом процессе выветривания минералов и почвообразовании.

4. Участие в процессе фотосинтеза

Вода является одним из двух ключевых исходных веществ в процессе фотосинтеза, который протекает в зеленых растениях, водорослях и некоторых бактериях под действием света.

Суммарное уравнение реакции: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \uparrow$

Роль в природе: Фотосинтез — важнейший биохимический процесс на планете. Он обеспечивает практически все живые организмы органическими веществами (пищей) и является основным источником кислорода в атмосфере Земли, необходимого для дыхания подавляющего большинства живых существ.

Ответ: Вода используется растениями в процессе фотосинтеза ($6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$) для создания органических веществ и кислорода. Это фундаментальный процесс, поддерживающий жизнь на Земле, формируя основу пищевых цепей и состав атмосферы.

5. Образование кристаллогидратов

Вода способна входить в состав кристаллической решетки многих солей и других веществ, образуя соединения постоянного состава — кристаллогидраты.

Уравнение реакции: $CuSO_4 \text{(безводный, белый)} + 5H_2O \rightarrow CuSO_4 \cdot 5H_2O \text{(медный купорос, синий)}$

Роль в природе: Многие минералы, слагающие земную кору, являются кристаллогидратами. Яркие примеры — гипс $CaSO_4 \cdot 2H_2O$, глауберова соль (мирабилит) $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$, карналлит $KCl \cdot MgCl_2 \cdot 6H_2O$. Наличие кристаллизационной воды определяет физические свойства (плотность, твердость, цвет) и геологическое поведение этих минералов.

Ответ: Вода образует с солями кристаллогидраты ($CuSO_4 + 5H_2O \rightarrow CuSO_4 \cdot 5H_2O$). В природе это свойство проявляется в существовании многих минералов (например, гипса), что определяет их структуру и свойства.

6. Разложение (электролиз)

Вода — термически очень устойчивое соединение, но ее можно разложить на составляющие элементы (водород и кислород) с помощью электрического тока.

Уравнение реакции: $2H_2O \xrightarrow{электрический\:ток} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Роль в природе: В макромасштабе электролиз в природе не происходит. Однако на молекулярном уровне ключевой стадией фотосинтеза является фотолиз воды — расщепление молекул воды под действием энергии света. Этот процесс поставляет протоны и электроны для синтеза органических веществ и является источником выделяемого кислорода.

Ответ: Вода разлагается на водород и кислород под действием электрического тока. В природе аналог этого процесса — фотолиз воды — является неотъемлемой частью фотосинтеза, обеспечивающей его реагентами и приводящей к выделению кислорода.

7. В 80 мл воды растворили 80 г медного купороса $CuSO_4 \cdot 5H_2O$. Какой стала массовая доля сульфата меди (II) в полученном растворе?

Дано:

$V(H_2O) = 80 \text{ мл}$

$m(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = 80 \text{ г}$

Примем плотность воды $\rho(H_2O) = 1 \text{ г/мл}$, следовательно, масса воды $m(H_2O) = 80 \text{ г}$.

Перевод данных в систему СИ:

$m(H_2O) = 80 \text{ г} = 0.08 \text{ кг}$

$m(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = 80 \text{ г} = 0.08 \text{ кг}$

Найти:

Массовую долю сульфата меди(II) в растворе, $w(CuSO_4)$ - ?

Решение:

1. Массовая доля растворенного вещества ($w$) определяется как отношение массы растворенного вещества ($m_{вещества}$) к общей массе раствора ($m_{раствора}$):

$w = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$

2. Сначала определим общую массу полученного раствора. Она равна сумме массы исходной воды и массы добавленного медного купороса (кристаллогидрата):

$m_{раствора} = m(H_2O) + m(CuSO_4 \cdot 5H_2O)$

$m_{раствора} = 80 \text{ г} + 80 \text{ г} = 160 \text{ г}$

3. Растворенным веществом, массовую долю которого мы ищем, является безводный сульфат меди(II), $CuSO_4$. Добавляемый медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ является кристаллогидратом, то есть он содержит в своей структуре молекулы воды. При растворении эта "кристаллизационная" вода становится частью растворителя. Поэтому нам нужно вычислить, какая масса чистого $CuSO_4$ содержится в 80 г медного купороса.

Для этого рассчитаем молярные массы безводной соли и ее кристаллогидрата. Используем округленные значения относительных атомных масс: $Ar(Cu) \approx 64$, $Ar(S) \approx 32$, $Ar(O) \approx 16$, $Ar(H) \approx 1$.

Молярная масса сульфата меди(II) ($CuSO_4$):

$M(CuSO_4) = Ar(Cu) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$

Молярная масса медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$):

$M(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = M(CuSO_4) + 5 \cdot M(H_2O) = 160 + 5 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 160 + 5 \cdot 18 = 160 + 90 = 250 \text{ г/моль}$

4. Теперь найдем массовую долю безводного $CuSO_4$ в кристаллогидрате:

$w(CuSO_4 \text{ в гидрате}) = \frac{M(CuSO_4)}{M(CuSO_4 \cdot 5H_2O)} = \frac{160 \text{ г/моль}}{250 \text{ г/моль}} = 0.64$

5. Зная эту долю, вычислим массу чистого $CuSO_4$ в 80 г медного купороса:

$m(CuSO_4) = m(CuSO_4 \cdot 5H_2O) \cdot w(CuSO_4 \text{ в гидрате}) = 80 \text{ г} \cdot 0.64 = 51.2 \text{ г}$

6. Наконец, зная массу чистого растворенного вещества ($m(CuSO_4) = 51.2 \text{ г}$) и общую массу раствора ($m_{раствора} = 160 \text{ г}$), рассчитаем искомую массовую долю сульфата меди(II) в конечном растворе:

$w(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{m_{раствора}} = \frac{51.2 \text{ г}}{160 \text{ г}} = 0.32$

Чтобы выразить массовую долю в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$w(CuSO_4) = 0.32 \cdot 100\% = 32\%$

Ответ: массовая доля сульфата меди(II) в полученном растворе составляет 0,32 или 32%.

8. Для наложения гипсовой повязки хирург использовал 290 г алебастра. Какое количество вещества воды было израсходовано в результате превращения алебастра в гипс? Какова масса гипса?

Дано:

$m(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O) = 290 \text{ г}$

Найти:

$n(H_2O) - ?$

$m(CaSO_4 \cdot 2H_2O) - ?$

Решение:

Процесс превращения алебастра в гипс описывается следующим химическим уравнением реакции гидратации:

$CaSO_4 \cdot 0.5H_2O + 1.5H_2O \rightarrow CaSO_4 \cdot 2H_2O$

В этой реакции алебастр ($CaSO_4 \cdot 0.5H_2O$) взаимодействует с водой, превращаясь в гипс ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$).

1. Рассчитаем молярные массы веществ, используя относительные атомные массы элементов ($Ar(Ca)=40, Ar(S)=32, Ar(O)=16, Ar(H)=1$).

Молярная масса алебастра ($CaSO_4 \cdot 0.5H_2O$):

$M(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O) = 40 + 32 + 4 \cdot 16 + 0.5 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 136 + 0.5 \cdot 18 = 145 \text{ г/моль}$

Молярная масса воды ($H_2O$):

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$

Молярная масса гипса ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$):

$M(CaSO_4 \cdot 2H_2O) = 40 + 32 + 4 \cdot 16 + 2 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 136 + 2 \cdot 18 = 172 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества (число молей) алебастра в 290 г:

$n(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O) = \frac{m(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O)}{M(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O)} = \frac{290 \text{ г}}{145 \text{ г/моль}} = 2 \text{ моль}$

3. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем количество вещества воды, которое было израсходовано.

Из уравнения реакции следует, что на 1 моль алебастра расходуется 1.5 моль воды.

$\frac{n(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O)}{1} = \frac{n(H_2O)}{1.5}$

$n(H_2O) = 1.5 \cdot n(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O) = 1.5 \cdot 2 \text{ моль} = 3 \text{ моль}$

4. Аналогично найдем количество вещества образовавшегося гипса. Из уравнения реакции следует, что из 1 моль алебастра образуется 1 моль гипса.

$\frac{n(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O)}{1} = \frac{n(CaSO_4 \cdot 2H_2O)}{1}$

$n(CaSO_4 \cdot 2H_2O) = n(CaSO_4 \cdot 0.5H_2O) = 2 \text{ моль}$

5. Теперь рассчитаем массу образовавшегося гипса.

$m(CaSO_4 \cdot 2H_2O) = n(CaSO_4 \cdot 2H_2O) \cdot M(CaSO_4 \cdot 2H_2O) = 2 \text{ моль} \cdot 172 \text{ г/моль} = 344 \text{ г}$

Ответ: количество вещества израсходованной воды – 3 моль; масса образовавшегося гипса – 344 г.