Страница 109 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

Часть II

1. Из жидкого воздуха вначале получают затем — __________ и наконец — __________

Решение

Для того чтобы заполнить пропуски в предложении, необходимо понимать, как разделяют жидкий воздух на составляющие его газы. Этот процесс называется фракционной перегонкой (или ректификацией) и основан на различии в температурах кипения компонентов смеси. При постепенном нагревании жидкой смеси вещество с самой низкой температурой кипения испаряется первым.

Атмосферный воздух состоит в основном из трех газов: азота ($N_2$), кислорода ($O_2$) и аргона ($Ar$). Их температуры кипения при нормальном атмосферном давлении следующие:

• Азот ($N_2$): $-195.8$ °C
• Аргон ($Ar$): $-185.9$ °C
• Кислород ($O_2$): $-183.0$ °C

Как видно из этих данных, у азота самая низкая температура кипения. Это означает, что при нагревании жидкого воздуха он будет испаряться первым. Следовательно, вначале получают азот.

Следующим по возрастанию температуры кипения идет аргон, поэтому затем получают его.

Кислород имеет самую высокую температуру кипения из этих трех газов, поэтому он дольше всех остается в жидкой фазе и его получают наконец.

Таким образом, правильная последовательность получения газов из жидкого воздуха: азот, затем аргон и, наконец, кислород. Заполняем пропуски в предложении соответствующими названиями газов.

Из жидкого воздуха вначале получают азот, затем аргон и наконец кислород.

Ответ: Из жидкого воздуха вначале получают азот, затем аргон и наконец кислород.

2. С помощью метода электронного баланса расставьте коэффициенты в схеме реакции получения хлора в лаборатории:

$HCl + KClO_3 \to \text{_______} + KCl + \text{_______}$

Чтобы расставить коэффициенты в уравнении реакции получения хлора, необходимо сначала определить все продукты реакции, а затем воспользоваться методом электронного баланса.

Решение

1. Реакция соляной кислоты ($HCl$) с хлоратом калия ($KClO_3$) является окислительно-восстановительной. Задание указывает на получение хлора ($Cl_2$). В продуктах также дан хлорид калия ($KCl$). Атомы водорода из кислоты и кислорода из хлората калия образуют воду ($H_2O$). Таким образом, полная схема реакции выглядит так:

$HCl + KClO_3 \rightarrow Cl_2 + KCl + H_2O$

2. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$H\overset{+1}{Cl}\overset{-1}{} + K\overset{+1}{Cl}\overset{+5}{O_3}\overset{-2}{} \rightarrow \overset{0}{Cl_2} + K\overset{+1}{Cl}\overset{-1}{} + H_2\overset{+1}{O}\overset{-2}{}$

Степень окисления изменяет хлор:

- Хлор в соляной кислоте ($Cl^{-1}$) окисляется до простого вещества хлора ($Cl_2^{0}$). Соляная кислота является восстановителем.

- Хлор в хлорате калия ($Cl^{+5}$) восстанавливается до хлорида калия ($Cl^{-1}$). Хлорат калия является окислителем.

3. Составим уравнения полуреакций (электронный баланс):

Процесс окисления: $2Cl^{-1} - 2e^{-} \rightarrow Cl_2^{0}$

Процесс восстановления: $Cl^{+5} + 6e^{-} \rightarrow Cl^{-1}$

4. Найдём наименьшее общее кратное (НОК) для числа отданных (2) и принятых (6) электронов. НОК(2, 6) = 6. Чтобы уравнять число электронов, домножим полуреакцию окисления на 3, а полуреакцию восстановления на 1.

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

$Cl^{+5} + 6e^{-} \rightarrow Cl^{-1}$ $| \times 1$ (процесс восстановления)

Из баланса следует, что в реакции должно участвовать 6 атомов $Cl^{-1}$ и 1 атом $Cl^{+5}$. В результате образуется 3 молекулы $Cl_2$ и 1 ион $Cl^{-1}$.

5. Подставим полученные коэффициенты в уравнение реакции:

$6HCl + 1KClO_3 \rightarrow 3Cl_2 + 1KCl + H_2O$

6. Уравняем остальные элементы. В левой части уравнения 6 атомов водорода (из $6HCl$) и 3 атома кислорода (из $KClO_3$). Чтобы уравнять их в правой части, необходимо поставить коэффициент 3 перед молекулой воды ($H_2O$).

$6HCl + KClO_3 \rightarrow 3Cl_2 + KCl + 3H_2O$

7. Проверим баланс всех атомов:

H: слева 6, справа 3 × 2 = 6.
Cl: слева 6 + 1 = 7, справа 3 × 2 + 1 = 7.
K: слева 1, справа 1.
O: слева 3, справа 3.

Все атомы уравнены, коэффициенты расставлены верно. Пропущенными веществами в схеме были хлор ($Cl_2$) и вода ($H_2O$).

Ответ: $6HCl + KClO_3 \rightarrow 3Cl_2 + KCl + 3H_2O$.

3. Определите массу кокса, содержащего 3 % примесей, который понадобится для восстановления 15 кмоль фосфата кальция и молекулярного фосфора.

Дано:

Решение:

Дано:

Количество вещества фосфата кальция $\nu(Ca_3(PO_4)_2) = 15 \text{ кмоль}$

Массовая доля примесей в коксе $\omega(\text{примесей}) = 3 \% = 0.03$

Перевод в СИ:

$\nu(Ca_3(PO_4)_2) = 15 \times 10^3 \text{ моль}$

Найти:

$m(\text{кокса}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции восстановления фосфата кальция до молекулярного фосфора с помощью кокса (углерода) в присутствии диоксида кремния (песка), что является стандартным промышленным методом:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \rightarrow 6CaSiO_3 + P_4 + 10CO$

2. По уравнению реакции определим стехиометрическое соотношение между фосфатом кальция и углеродом. На восстановление 2 моль $Ca_3(PO_4)_2$ требуется 10 моль $C$.

$\frac{\nu(Ca_3(PO_4)_2)}{\nu(C)} = \frac{2}{10} = \frac{1}{5}$

3. Рассчитаем количество вещества чистого углерода (C), необходимого для реакции с 15 кмоль фосфата кальция:

$\nu(C) = 5 \times \nu(Ca_3(PO_4)_2) = 5 \times 15 \text{ кмоль} = 75 \text{ кмоль}$

4. Найдем массу чистого углерода. Молярная масса углерода $M(C) = 12 \text{ г/моль} = 12 \text{ кг/кмоль}$.

$m(C) = \nu(C) \times M(C) = 75 \text{ кмоль} \times 12 \text{ кг/кмоль} = 900 \text{ кг}$

5. Данная масса (900 кг) – это масса чистого углерода. Кокс содержит 3% примесей, значит, массовая доля чистого углерода в коксе составляет:

$\omega(C) = 100\% - 3\% = 97\% = 0.97$

6. Теперь можно найти общую массу кокса, которая потребуется для получения 900 кг чистого углерода:

$m(\text{кокса}) = \frac{m(C)}{\omega(C)} = \frac{900 \text{ кг}}{0.97} \approx 927.835 \text{ кг}$

Округлим результат до сотых.

$m(\text{кокса}) \approx 927.84 \text{ кг}$

Ответ: для восстановления 15 кмоль фосфата кальция понадобится 927,84 кг кокса.

4. Кратко опишите историю получения одного из галогенов, используя дополнительные источники информации.

История получения хлора

История открытия хлора ($Cl$) — яркий пример того, как доминирующая научная теория может замедлить признание нового элемента. Впервые газообразный хлор был получен в 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Он проводил эксперимент по нагреванию минерала пиролюзита (диоксида марганца, $MnO_2$) с соляной (в то время — муриевой) кислотой. В результате реакции он наблюдал выделение удушливого газа желто-зеленого цвета с резким запахом, который обладал сильными отбеливающими свойствами.

Уравнение реакции, которую провел Шееле:
$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

Однако Шееле, будучи сторонником теории флогистона, не понял, что открыл новый химический элемент. Он считал полученный газ «дефлогистированной соляной кислотой», то есть соляной кислотой, лишенной гипотетического «флогистона».

Позже, после работ Антуана Лавуазье, который утверждал, что все кислоты содержат кислород, многие химики, включая Клода Бертолле, предположили, что этот газ является оксидом неизвестного элемента «мурия» (от лат. muria — рассол).

Окончательно природа хлора была установлена лишь в 1810 году английским химиком Гемфри Дэви. После многочисленных безуспешных попыток разложить этот газ (например, пропуская его над раскаленным углем с целью выделить кислород), Дэви пришел к выводу, что это простое вещество, а не соединение. Он доказал его элементарную природу и предложил название «хлор» (от греч. χλωρός — «желто-зеленый») из-за его характерного цвета. Это открытие также нанесло серьезный удар по кислородной теории кислот Лавуазье.

Ответ: Хлор был впервые получен шведским химиком Карлом Шееле в 1774 году при реакции диоксида марганца с соляной кислотой. Однако из-за господствовавших в то время теорий (сначала флогистона, а затем кислородной теории кислот) его ошибочно считали соединением. Элементарную природу хлора доказал только в 1810 году английский химик Гемфри Дэви, который и дал ему современное название, производное от греческого слова, означающего «желто-зеленый».