Страница 136 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. В каком виде встречаются неметаллы в природе? Приведите примеры.

Неметаллы в природе встречаются в двух основных формах: в свободном (самородном) состоянии (в виде простых веществ) и в связанном состоянии (в виде химических соединений).

Свободное состояние

В этой форме, как правило, находятся химически малоактивные неметаллы.

Примеры:

• Азот ($N_2$) и кислород ($O_2$) — основные газообразные компоненты атмосферного воздуха (около 78% и 21% соответственно). Также в воздухе в свободном виде содержатся инертные газы (Ar, Ne, He).
• Углерод ($C$) — встречается в виде твёрдых аллотропных модификаций: алмаза и графита.
• Сера ($S$) — образует месторождения самородной серы, которые часто находят в районах вулканической активности.

Связанное состояние

В виде соединений находится подавляющее большинство неметаллов из-за их высокой химической активности. Это основная форма их нахождения в природе.

Примеры:

• Вода ($H_2O$) — самое распространённое на Земле соединение водорода и кислорода.
• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) — соединение кремния и кислорода, из которого состоят песок, кварц, кремень. Кремний также входит в состав силикатов (глина, слюда).
• Углекислый газ ($CO_2$) в атмосфере и карбонаты (например, известняк $CaCO_3$, мрамор, мел) — важнейшие природные соединения углерода.
• Галогены (F, Cl, Br, I) встречаются исключительно в виде солей-галидов. Например, хлор в виде поваренной соли ($NaCl$) в морской воде и соляных месторождениях, фтор — в виде минерала флюорита ($CaF_2$).
• Фосфор и сера в основном находятся в виде солей: фосфатов (минералы апатиты и фосфориты) и сульфидов (пирит $FeS_2$) или сульфатов (гипс $CaSO_4 \cdot 2H_2O$).
• Все органические вещества, из которых состоят живые организмы, представляют собой соединения неметаллов, в первую очередь углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы.

Ответ: Неметаллы в природе встречаются как в свободном виде (простые вещества), так и в виде соединений. Примеры в свободном виде: кислород $O_2$ и азот $N_2$ в воздухе, самородная сера $S$, углерод $C$ в виде алмаза и графита. Примеры в виде соединений: вода $H_2O$, углекислый газ $CO_2$, песок $SiO_2$, поваренная соль $NaCl$, известняк $CaCO_3$.

2. Что такое фракционная перегонка воздуха? На каких физических свойствах компонентов воздуха основан этот способ его разделения? Какие продукты получают в результате фракционной перегонки жидкого воздуха?

Фракционная перегонка воздуха — это крупномасштабный промышленный процесс разделения сжиженного воздуха на составляющие его газы (фракции). Процесс включает в себя несколько этапов: сначала атмосферный воздух очищают от пыли, углекислого газа и паров воды, затем сжимают и сильно охлаждают до получения жидкого состояния (примерно до температуры $-200^{\circ}C$). После этого жидкий воздух подвергается постепенному нагреванию в специальном аппарате — ректификационной колонне.

Ответ: Фракционная перегонка воздуха — это метод разделения компонентов жидкого воздуха на основе их различных температур кипения в ректификационной колонне.

Данный способ разделения воздуха основан на фундаментальном физическом свойстве веществ — различии в температурах кипения его основных компонентов. Каждый газ, входящий в состав воздуха, переходит из жидкого состояния в газообразное при своей уникальной температуре (при нормальном атмосферном давлении):

• Азот ($N_2$) кипит при температуре $-195.8^{\circ}C$.
• Аргон ($Ar$) кипит при температуре $-185.9^{\circ}C$.
• Кислород ($O_2$) кипит при температуре $-183.0^{\circ}C$.

При медленном нагревании жидкого воздуха первым начинает испаряться компонент с самой низкой температурой кипения — азот. Пары азота поднимаются вверх по ректификационной колонне, где их отводят и собирают. Оставшаяся жидкость обогащается компонентами с более высокими температурами кипения — аргоном и кислородом. Повторяя процессы испарения и конденсации на разных уровнях (тарелках) колонны, удается достичь высокой степени чистоты разделения газов.

Ответ: Способ основан на различии в температурах кипения компонентов сжиженного воздуха (азота, кислорода, аргона и других газов).

В результате фракционной перегонки жидкого воздуха получают в первую очередь его основные компоненты в чистом виде, которые имеют широкое промышленное и медицинское применение. Основными продуктами являются:

• Азот ($N_2$) — самый летучий компонент (содержание в воздухе ~78%). Используется для создания инертной атмосферы, в криогенной технике, как хладагент, в пищевой промышленности.
• Кислород ($O_2$) — (содержание в воздухе ~21%). Необходим в металлургии для интенсификации процессов горения, в медицине для дыхания, в химической промышленности как окислитель, а также в качестве компонента ракетного топлива.
• Аргон ($Ar$) — (содержание в воздухе ~0.9%). Как инертный газ используется в металлургии для сварки и резки металлов, для заполнения ламп накаливания и в производстве электроники.

Также в меньших количествах могут быть выделены и другие благородные газы, такие как неон ($Ne$), криптон ($Kr$) и ксенон ($Xe$).

Ответ: Основные продукты фракционной перегонки жидкого воздуха — это чистый азот ($N_2$), кислород ($O_2$) и аргон ($Ar$), а также в меньших количествах другие инертные газы.

3. Что называют электролизом? Какие неметаллы получают с помощью электролиза?

Что называют электролизом?
Электролиз — это совокупность окислительно-восстановительных процессов, которые протекают на электродах, погруженных в расплав или раствор электролита, при прохождении через него постоянного электрического тока. По своей сути, это химическая реакция, инициируемая действием электрической энергии. Электрическая энергия преобразуется в химическую, вызывая реакции, которые в иных условиях не протекают самопроизвольно.
Процесс происходит в устройстве, называемом электролитической ячейкой или электролизёром. Ключевыми компонентами являются:
1. Электролит — вещество (соль, кислота или щелочь), которое в расплавленном или растворенном виде диссоциирует на ионы (положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы), обеспечивая электрическую проводимость.
2. Электроды — проводники, подключенные к источнику постоянного тока.
- Катод: отрицательно заряженный электрод. К нему в электролите движутся катионы. На катоде происходит процесс восстановления (принятие электронов). Например, восстановление катионов металла: $Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me^0$.
- Анод: положительно заряженный электрод. К нему движутся анионы. На аноде происходит процесс окисления (отдача электронов). Например, окисление анионов неметалла: $2X^- - 2e^- \rightarrow X_2^0$.
Таким образом, под действием электрического тока происходит разложение электролита на его составные части или продукты их взаимодействия с растворителем (если электролиз водный).
Ответ: Электролиз — это физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию, которая протекает на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Какие неметаллы получают с помощью электролиза?
Электролиз является важным, а для некоторых веществ — единственным промышленным методом получения ряда химически активных неметаллов. К таким неметаллам относятся:
- Фтор ($F_2$). Фтор — самый электроотрицательный элемент, поэтому его невозможно получить химическим путем из его соединений. Единственный промышленный метод — электролиз расплава гидрофторида калия $KHF_2$ (или смеси $KF$ и $HF$). На аноде происходит окисление фторид-ионов: $2F^- - 2e^- \rightarrow F_2$.
- Хлор ($Cl_2$). Важнейший продукт химической промышленности. Его получают электролизом как расплава хлорида натрия $NaCl$, так и его концентрированного водного раствора (рассола). В обоих случаях на аноде выделяется газообразный хлор: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$.
- Водород ($H_2$). Электролиз воды (обычно с добавлением небольшого количества кислоты или щелочи для увеличения электропроводности) — это способ получения особо чистого водорода. Водород выделяется на катоде. Например, в щелочной среде: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$.
- Кислород ($O_2$). Является продуктом электролиза воды (выделяется на аноде), а также водных растворов солей кислородсодержащих кислот и щелочей. Процесс на аноде: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$.
Также электролизом можно получать бром ($Br_2$) и иод ($I_2$) из водных растворов их солей (бромидов и иодидов соответственно), хотя для них существуют и конкурентоспособные химические методы получения.
Ответ: С помощью электролиза получают такие неметаллы, как фтор ($F_2$), хлор ($Cl_2$), водород ($H_2$), кислород ($O_2$), а также бром ($Br_2$) и иод ($I_2$).

4. Приведите примеры природных веществ, в которых неметаллы находятся в отрицательных, нулевой и положительных степенях окисления. Какие способы — физические или химические — лежат в основе получения каждого из этих неметаллов в чистом виде?

Неметаллы в отрицательной степени окисления

В природе неметаллы часто встречаются в соединениях, где они проявляют отрицательную степень окисления. В качестве примера можно привести:

• Хлор в степени окисления -1 в составе хлорида натрия ($NaCl$) – основной компонент морской воды и минерала галита (каменная соль).

• Сера в степени окисления -2 в составе сероводорода ($H_2S$), который содержится в природном газе, вулканических газах и является продуктом гниения органических веществ.

• Азот в степени окисления -3 в составе аммиака ($NH_3$), который образуется в природе при разложении органических остатков.

Для получения таких неметаллов в чистом виде из их природных соединений используются химические способы, так как необходимо разорвать химические связи и изменить степень окисления элемента. Например, хлор получают электролизом водного раствора или расплава хлорида натрия:

$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow$

Серу из сероводорода получают в ходе процесса Клауса, который представляет собой химический процесс каталитического окисления:

$2H_2S + SO_2 \xrightarrow{катализатор, t} 3S + 2H_2O$

Ответ: Примеры: хлор в NaCl, сера в H₂S. Для их получения в чистом виде применяют химические методы, основанные на окислительно-восстановительных реакциях (электролиз, каталитическое окисление).

Неметаллы в нулевой степени окисления

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном, самородном виде, то есть их степень окисления равна нулю. Примеры:

• Азот ($N_2$), кислород ($O_2$) и инертные газы (Ar, Ne и др.) являются основными компонентами атмосферного воздуха.

• Самородная сера ($S$) образует крупные месторождения.

• Углерод ($C$) встречается в виде минералов алмаза и графита.

Поскольку эти вещества уже находятся в простом виде, для их выделения и очистки применяются физические методы, основанные на различиях в физических свойствах (температуре кипения, плотности, растворимости).

Например, азот и кислород получают фракционной перегонкой (ректификацией) сжиженного воздуха. Этот метод основан на разнице их температур кипения.

Самородную серу из подземных залежей добывают методом Фраша — выплавкой перегретой водой и вытеснением расплава на поверхность сжатым воздухом. Это также физический процесс.

Алмаз и графит добывают из горных пород механическими способами (добыча, обогащение).

Ответ: Примеры: азот и кислород в воздухе, самородная сера. Для их получения в чистом виде применяют физические методы (ректификация сжиженного воздуха, выплавка, добыча).

Неметаллы в положительной степени окисления

В природе неметаллы также широко распространены в соединениях, где они связаны с более электроотрицательными элементами (чаще всего с кислородом) и имеют положительную степень окисления. Примеры:

• Кремний в степени окисления +4 в составе диоксида кремния ($SiO_2$) — минерала кварца, который является основой песка.

• Фосфор в степени окисления +5 в составе фосфатов, например, фосфата кальция $Ca_3(PO_4)_2$ в минералах апатите и фосфорите.

• Сера в степени окисления +6 в составе сульфатов, например, гипса $CaSO_4 \cdot 2H_2O$.

Для получения неметаллов из этих соединений необходимо провести их восстановление, то есть понизить положительную степень окисления до нуля. Это достигается с помощью химических методов.

Например, кремний получают, восстанавливая его из диоксида кремния ($SiO_2$) углем (коксом) в электродуговых печах при высокой температуре:

$SiO_2 + 2C \xrightarrow{1800-2000 ^\circ C} Si + 2CO\uparrow$

Фосфор получают из фосфата кальция также путем восстановления коксом в присутствии песка ($SiO_2$):

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{1500 ^\circ C} 6CaSiO_3 + P_4\uparrow + 10CO\uparrow$

Ответ: Примеры: кремний в SiO₂, фосфор в Ca₃(PO₄)₂. Для их получения в чистом виде применяют химические методы, как правило, высокотемпературное восстановление из их оксидов или солей.

5. Какие массы кислорода и азота можно получить из 2000 $м^3$ воздуха (н. у.), в котором объёмная доля кислорода составляет 21 %, а азота — 78 %?

Дано:

$V_{воздуха} = 2000 \text{ м}^3$

$\phi(O_2) = 21\% = 0.21$

$\phi(N_2) = 78\% = 0.78$

Условия нормальные (н. у.)

Найти:

$m(O_2) - ?$

$m(N_2) - ?$

Решение:

1. Найдем объемы кислорода и азота в данном объеме воздуха. Объемная доля газа ($\phi$) в смеси связана с объемом газа ($V_{газа}$) и объемом смеси ($V_{смеси}$) соотношением: $V_{газа} = \phi \cdot V_{смеси}$.

Объем кислорода:

$V(O_2) = \phi(O_2) \cdot V_{воздуха} = 0.21 \cdot 2000 \text{ м}^3 = 420 \text{ м}^3$

Объем азота:

$V(N_2) = \phi(N_2) \cdot V_{воздуха} = 0.78 \cdot 2000 \text{ м}^3 = 1560 \text{ м}^3$

2. Рассчитаем количество вещества ($\nu$) для кислорода и азота. По закону Авогадро, при нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22.4 л/моль, или $0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}$. Количество вещества находится по формуле $\nu = \frac{V}{V_m}$.

Количество вещества кислорода:

$\nu(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{420 \text{ м}^3}{0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}} = 18750 \text{ моль}$

Количество вещества азота:

$\nu(N_2) = \frac{V(N_2)}{V_m} = \frac{1560 \text{ м}^3}{0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}} = \frac{195000}{2.8} \text{ моль} \approx 69643 \text{ моль}$

3. Найдем массы кислорода и азота, используя формулу $m = \nu \cdot M$, где $M$ - молярная масса вещества.

Молярная масса кислорода ($O_2$): $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль} = 0.032 \text{ кг/моль}$.

Молярная масса азота ($N_2$): $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28 \text{ г/моль} = 0.028 \text{ кг/моль}$.

Масса кислорода:

$m(O_2) = \nu(O_2) \cdot M(O_2) = 18750 \text{ моль} \cdot 0.032 \text{ кг/моль} = 600 \text{ кг}$

Масса азота (для точности используем не округленное значение количества вещества):

$m(N_2) = \frac{1560}{0.0224} \text{ моль} \cdot 0.028 \text{ кг/моль} = \frac{1560 \cdot 0.028}{0.0224} \text{ кг} = \frac{43.68}{0.0224} \text{ кг} = 1950 \text{ кг}$

Ответ: можно получить 600 кг кислорода и 1950 кг азота.

6. Массовые доли элементов в минерале аурипигменте равны: мышьяк — 61 %, сера — 39 %. Определите формулу минерала.

Дано:

Найти:

Решение:

Для определения простейшей химической формулы минерала найдем соотношение количеств вещества (числа молей) атомов мышьяка (As) и серы (S) в его составе.

1. Предположим, что масса образца минерала составляет 100 г. Тогда масса каждого элемента будет численно равна его массовой доле в процентах:

$m(As) = 100 \text{ г} \cdot 0.61 = 61 \text{ г}$

$m(S) = 100 \text{ г} \cdot 0.39 = 39 \text{ г}$

2. Используя периодическую систему Д.И. Менделеева, найдем молярные массы мышьяка и серы (округлим для удобства расчетов):

$M(As) \approx 75 \text{ г/моль}$

$M(S) \approx 32 \text{ г/моль}$

3. Рассчитаем количество вещества (в молях) для каждого элемента по формуле $n = m/M$:

$n(As) = \frac{m(As)}{M(As)} = \frac{61 \text{ г}}{75 \text{ г/моль}} \approx 0.813 \text{ моль}$

$n(S) = \frac{m(S)}{M(S)} = \frac{39 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} \approx 1.219 \text{ моль}$

4. Найдем соотношение количеств вещества элементов. Обозначим индексы в формуле $As_xS_y$ как $x$ и $y$. Это соотношение равно соотношению молей:

$x : y = n(As) : n(S) = 0.813 : 1.219$

5. Чтобы найти простейшее целочисленное соотношение, разделим оба числа на наименьшее из них (0.813):

$x : y = \frac{0.813}{0.813} : \frac{1.219}{0.813} \approx 1 : 1.5$

6. Так как индексы в химической формуле должны быть целыми числами, умножим полученное соотношение на 2:

$x : y = (1 \cdot 2) : (1.5 \cdot 2) = 2 : 3$

Таким образом, простейшая формула минерала аурипигмента — $As_2S_3$.

Ответ: Формула минерала — $As_2S_3$.

7. Какую массу фосфора можно получить из 387,5 кг фосфорита, массовая доля фосфата кальция в котором составляет 80 %?

Дано:

$m(\text{фосфорита}) = 387,5 \text{ кг}$
$\omega(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = 80 \%$

$m(\text{фосфорита}) = 387,5 \text{ кг}$ (килограмм является единицей СИ)
$\omega(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = 0,8$ (в долях единицы)

Найти:

$m(\text{P}) - ?$

Решение:

1. В первую очередь необходимо определить массу чистого фосфата кальция $(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)$ в 387,5 кг фосфорита. Для этого умножим общую массу руды на массовую долю в ней фосфата кальция, выраженную в долях от единицы.

$m(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = m(\text{фосфорита}) \cdot \omega(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)$
$m(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = 387,5 \text{ кг} \cdot 0,8 = 310 \text{ кг}$

2. Далее нужно рассчитать, какую массу фосфора $(\text{P})$ можно теоретически извлечь из 310 кг чистого фосфата кальция $(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)$. Для этого найдем массовую долю фосфора в фосфате кальция.

Сначала вычислим молярную массу фосфата кальция, используя относительные атомные массы элементов из Периодической таблицы: $Ar(\text{Ca}) = 40$, $Ar(\text{P}) = 31$, $Ar(\text{O}) = 16$.

Молярная масса фосфата кальция:
$M(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = 3 \cdot Ar(\text{Ca}) + 2 \cdot (Ar(\text{P}) + 4 \cdot Ar(\text{O})) = 3 \cdot 40 + 2 \cdot (31 + 4 \cdot 16) = 120 + 2 \cdot (31 + 64) = 120 + 190 = 310 \text{ г/моль}$ (или $310 \text{ кг/кмоль}$).

3. Теперь рассчитаем массовую долю фосфора в составе фосфата кальция. В одной формульной единице $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$ содержится 2 атома фосфора.

$\omega(\text{P в } \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) = \frac{2 \cdot M(\text{P})}{M(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)} = \frac{2 \cdot 31}{310} = \frac{62}{310} = 0,2$

4. Зная массу чистого фосфата кальция и массовую долю фосфора в нем, найдем искомую массу фосфора.

$m(\text{P}) = m(\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2) \cdot \omega(\text{P в } \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2)$
$m(\text{P}) = 310 \text{ кг} \cdot 0,2 = 62 \text{ кг}$

Ответ: из 387,5 кг фосфорита можно получить 62 кг фосфора.

8. Одним из промышленных способов получения кремния является восстановление его из оксида металлическим магнием. Какую массу песка, содержащего 96 % $ \text{SiO}_2 $, и какую массу магния необходимо взять для получения 84 г кремния?

Дано:

$m(Si) = 84 \text{ г}$

$\omega(SiO_2) = 96\%$

Найти:

$m(\text{песка}) - ?$

$m(Mg) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции. Происходит восстановление оксида кремния(IV) ($SiO_2$) магнием ($Mg$) с образованием кремния ($Si$) и оксида магния ($MgO$):

$SiO_2 + 2Mg \rightarrow Si + 2MgO$

2. Рассчитаем количество вещества (моль) кремния, которое было получено. Молярная масса кремния $M(Si) \approx 28 \text{ г/моль}$.

$n(Si) = \frac{m(Si)}{M(Si)} = \frac{84 \text{ г}}{28 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количество вещества реагентов, которые потребуются для реакции. Из стехиометрических коэффициентов следует, что соотношение количеств веществ равно:

$n(SiO_2) : n(Mg) : n(Si) = 1 : 2 : 1$

Таким образом, количество вещества оксида кремния(IV) и магния составляет:

$n(SiO_2) = n(Si) = 3 \text{ моль}$

$n(Mg) = 2 \cdot n(Si) = 2 \cdot 3 \text{ моль} = 6 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массы реагентов, необходимые для реакции.

Молярная масса магния $M(Mg) \approx 24 \text{ г/моль}$.

$m(Mg) = n(Mg) \cdot M(Mg) = 6 \text{ моль} \cdot 24 \text{ г/моль} = 144 \text{ г}$

Молярная масса оксида кремния(IV) $M(SiO_2) \approx 28 + 2 \cdot 16 = 60 \text{ г/моль}$.

$m(\text{чистого } SiO_2) = n(SiO_2) \cdot M(SiO_2) = 3 \text{ моль} \cdot 60 \text{ г/моль} = 180 \text{ г}$

5. Масса 180 г соответствует чистому оксиду кремния(IV). В условии указано, что он является частью песка с массовой долей 96%. Найдем общую массу песка.

$m(\text{песка}) = \frac{m(\text{чистого } SiO_2)}{\omega(SiO_2)} = \frac{180 \text{ г}}{0.96} = 187.5 \text{ г}$

Ответ: для получения 84 г кремния необходимо взять 187,5 г песка и 144 г магния.

9. Разложением при высокой температуре природного газа, основным компонентом которого является метан $CH_4$, получают сразу два важных неметалла — углерод в виде сажи и водород. Какой объём метана необходимо подвергнуть разложению, чтобы выделившегося водорода хватило для восстановления 23,2 г оксида вольфрама(VI)?

Дано:

$m(WO_3) = 23,2 \ г$

Найти:

$V(CH_4) - ?$

Решение:

Задача решается через составление и расчеты по уравнениям двух последовательных химических реакций.

1. Реакция разложения метана при высокой температуре с образованием сажи (углерода) и водорода:

$CH_4 \xrightarrow{t°} C + 2H_2$

2. Реакция восстановления оксида вольфрама(VI) водородом, полученным в первой реакции:

$WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t°} W + 3H_2O$

Сначала найдем количество вещества (моль) оксида вольфрама(VI), вступившего в реакцию. Для этого рассчитаем его молярную массу, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы ($Ar(W) \approx 184$, $Ar(O) \approx 16$):

$M(WO_3) = Ar(W) + 3 \cdot Ar(O) = 184 + 3 \cdot 16 = 232 \ г/моль$

Теперь вычислим количество вещества $WO_3$ по формуле $n = m/M$:

$n(WO_3) = \frac{m(WO_3)}{M(WO_3)} = \frac{23,2 \ г}{232 \ г/моль} = 0,1 \ моль$

Далее, по уравнению реакции (2), определим количество вещества водорода, которое необходимо для восстановления 0,1 моль $WO_3$. Согласно стехиометрическим коэффициентам, соотношение количеств веществ $n(WO_3)$ и $n(H_2)$ составляет 1:3.

$\frac{n(WO_3)}{1} = \frac{n(H_2)}{3}$

$n(H_2) = 3 \cdot n(WO_3) = 3 \cdot 0,1 \ моль = 0,3 \ моль$

Этот водород был получен в результате разложения метана (реакция 1). По уравнению реакции (1) найдем, какое количество вещества метана требуется для получения 0,3 моль водорода. Соотношение количеств веществ $n(CH_4)$ и $n(H_2)$ составляет 1:2.

$\frac{n(CH_4)}{1} = \frac{n(H_2)}{2}$

$n(CH_4) = \frac{1}{2} \cdot n(H_2) = \frac{1}{2} \cdot 0,3 \ моль = 0,15 \ моль$

Наконец, зная количество вещества метана, можно рассчитать его объем при нормальных условиях (н.у.). Молярный объем любого газа при н.у. ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.

$V(CH_4) = n(CH_4) \cdot V_m = 0,15 \ моль \cdot 22,4 \ л/моль = 3,36 \ л$

Ответ: для восстановления 23,2 г оксида вольфрама(VI) необходимо подвергнуть разложению 3,36 л метана (при н.у.).

10. Подготовьте сообщение о жизни и деятельности Х. Дэви.

Сообщение о жизни и деятельности Гемфри Дэви

Сэр Гемфри Дэви (Humphry Davy, 1778–1829) — выдающийся английский химик, физик и изобретатель, один из основателей электрохимии и пионер в исследовании многих химических элементов. Его вклад в науку огромен и многогранен.

Ранние годы и начало карьеры

Гемфри Дэви родился 17 декабря 1778 года в Пензансе, Корнуолл (Англия). После окончания школы он стал учеником хирурга-аптекаря, где и проявился его живой интерес к химии. Дэви был во многом самоучкой, он жадно читал научные труды, в частности, «Элементарный курс химии» Антуана Лавуазье, и проводил собственные эксперименты в импровизированной лаборатории. Его первая научная работа была посвящена природе тепла и света.

Прорывом в его карьере стала работа в «Пневматическом институте» в Бристоле, где он изучал терапевтические свойства различных газов. Именно здесь в 1799 году Дэви открыл опьяняющее и обезболивающее действие закиси азота ($N_2O$), которую он назвал «веселящим газом». Он смело испытывал действие газов на себе, что едва не стоило ему жизни, но принесло широкую известность в научных кругах.

Работа в Королевском институте и главные научные достижения

В 1801 году Дэви был приглашен в Королевский институт в Лондоне, где вскоре стал профессором химии. Его публичные лекции, сопровождавшиеся эффектными демонстрациями, пользовались огромной популярностью и привлекали самую широкую аудиторию, от аристократов до простых горожан.

Основной вклад Дэви в науку связан с применением электричества в химии. Используя мощную вольтову батарею, он совершил ряд фундаментальных открытий, став одним из основателей электрохимии:

• Открытие щелочных и щелочноземельных металлов: В 1807 году путем электролиза расплавов едкого натра ($NaOH$) и едкого кали ($KOH$) он впервые в истории выделил в чистом виде металлический натрий (Na) и калий (K). В 1808 году, продолжая свои опыты, он получил кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и магний (Mg).
• Исследование природы галогенов: Дэви доказал, что хлор, считавшийся до этого оксидом гипотетического элемента «мурия», на самом деле является простым веществом. В 1810 году он дал ему название «хлор» (от греч. χλωρός — «желто-зеленый»). Аналогичным образом он доказал элементарную природу йода. Эти открытия нанесли сокрушительный удар по кислородной теории кислот Лавуазье.
• Водородная теория кислот: На основе своих исследований Дэви выдвинул новую теорию, согласно которой носителем кислотных свойств является не кислород, а водород.
• Изучение алмаза: Дэви экспериментально доказал, что алмаз состоит из чистого углерода.

Изобретения и наследие

Помимо фундаментальных исследований, Дэви известен как выдающийся изобретатель. Его самым знаменитым изобретением стала безопасная шахтёрская лампа (1815 г.), известная как «лампа Дэви». В то время взрывы рудничного газа (метана) были частой причиной гибели шахтёров. Лампа Дэви имела пламя, заключённое в металлическую сетку. Сетка эффективно рассеивала тепло, не позволяя пламени поджечь метан в окружающей атмосфере, но при этом пропускала достаточно света для работы. Это изобретение спасло тысячи жизней и принесло Дэви мировую славу.

Гемфри Дэви также известен тем, что разглядел огромный талант в молодом переплетчике Майкле Фарадее и взял его к себе ассистентом в 1813 году. Фарадей впоследствии стал одним из величайших ученых в истории, превзойдя своего наставника.

За свои заслуги Дэви был посвящён в рыцари (1812), получил титул баронета (1818) и был избран президентом Лондонского королевского общества (1820). Постоянная работа с токсичными веществами и неосторожные эксперименты сильно подорвали его здоровье. Сэр Гемфри Дэви скончался 29 мая 1829 года в Женеве.

Ответ:

Представлен развернутый доклад о жизни и научной деятельности английского ученого Гемфри Дэви. Описаны его биография, ключевые открытия в области электрохимии (выделение натрия, калия, кальция и других металлов), исследования природы хлора и йода, а также его важнейшее практическое изобретение — безопасная шахтёрская лампа. Упомянута его роль как наставника Майкла Фарадея.

11. Подготовьте сообщение об истории открытия фтора.

Сообщение об истории открытия фтора

История открытия фтора — одного из самых активных химических элементов — является одной из наиболее драматичных страниц в истории химии. Попытки выделить его в свободном виде продолжались почти столетие и стоили здоровья, а иногда и жизни многим выдающимся учёным. Из-за своей чрезвычайной реактивности фтор получил прозвище «химический тигр».

Первые сведения о соединениях фтора относятся к XVI веку, когда немецкий учёный Георгий Агрикола описал минерал флюорит (плавиковый шпат, формула $CaF_2$), который использовался в металлургии для облегчения плавления руд (в качестве флюса). От латинского слова fluo («теку») и произошло название минерала, а впоследствии и самого элемента.

Научное изучение соединений фтора началось в 1771 году, когда шведский химик Карл Вильгельм Шееле, обрабатывая плавиковый шпат серной кислотой ($H_2SO_4$), получил плавиковую кислоту ($HF$). Он обнаружил её уникальное свойство — способность разъедать стекло, что указывало на присутствие в ней неизвестного и очень активного вещества. Однако Шееле, как и многие его современники, ошибочно полагал, что эта кислота является соединением некоего «флюорного радикала» с водой.

В 1810 году французский физик и химик Андре-Мари Ампер высказал гипотезу, что плавиковая кислота является соединением водорода с новым, неизвестным элементом, аналогичным хлору. Он предложил назвать этот элемент фтором (от греческого φθόρος — «разрушение», «гибель»), подчеркивая его агрессивность. Попытки выделить фтор, предпринятые знаменитым английским химиком Гемфри Дэви, не увенчались успехом. Проводя электролиз плавиковой кислоты, он не смог получить новый элемент, но получил тяжёлое отравление её парами. Тем не менее, его эксперименты подтвердили правоту гипотезы Ампера.

В последующие десятилетия многие химики пытались выделить свободный фтор. Эти попытки часто заканчивались трагически. Ирландские учёные братья Томас и Джордж Нокс, бельгийцы Поль Луйе и Жером Никлес получили серьёзные отравления, которые привели к их преждевременной смерти. Французский химик Эдмон Фреми был очень близок к успеху. Он сумел получить безводный фтороводород ($HF$) и при его электролизе наблюдал выделение газа на аноде, который, однако, тут же вступал в реакцию с материалом электрода. Собрать газ ему не удалось.

Задача была решена учеником Фреми, французским химиком Анри Муассаном. 26 июня 1886 года он осуществил успешный эксперимент. Муассан учёл ошибки предшественников и понял, что для успеха необходимы три условия:

• Использование электролита, который хорошо проводит ток. Чистый безводный $HF$ является диэлектриком. Муассан использовал раствор дигидрофторида калия ($KHF_2$, фактически расплав $KF$ в $HF$) в безводном фтороводороде.
• Применение аппаратуры из материалов, устойчивых к действию фтора. Он использовал U-образную трубку из платины с электродами из более стойкого платино-иридиевого сплава.
• Проведение электролиза при низкой температуре (около $-50$ °C), чтобы снизить реакционную способность выделяющегося фтора и уменьшить летучесть фтороводорода.

При пропускании электрического тока через охлаждённый электролит на катоде выделялся водород ($H_2$), а на аноде — светло-жёлтый газ с резким запахом. Это и был долгожданный свободный фтор ($F_2$). Муассан продемонстрировал его исключительную химическую активность: газ вызывал самовоспламенение кремния, бора и даже древесного угля. За открытие фтора и внедрение в лабораторную и промышленную практику электрической печи Анри Муассан в 1906 году был удостоен Нобелевской премии по химии.

Ответ: Свободный фтор был впервые получен 26 июня 1886 года французским химиком Анри Муассаном путём электролиза раствора дигидрофторида калия ($KHF_2$) в безводном фтороводороде при низкой температуре. Это открытие стало возможным благодаря трудам многих учёных на протяжении почти ста лет, которые установили природу соединений фтора и столкнулись с чрезвычайной сложностью и опасностью его выделения из-за его высочайшей химической активности.