Страница 127 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

3. В одном литре воды содержится 225 мг хлорида кальция. Какая масса твёрдого мыла с формулой $C_{17}H_{35}COONa$ израсходуется, прежде чем оно начнёт мылиться и удалять грязь с белья?

Дано:

Решение:

Дано:

$V(H_2O) = 1 \text{ л}$
$m(CaCl_2) = 225 \text{ мг}$
Формула мыла: $C_{17}H_{35}COONa$

Перевод в СИ:
$m(CaCl_2) = 225 \text{ мг} = 0.225 \text{ г}$

Найти:

$m(C_{17}H_{35}COONa) - ?$

Решение:

Мыло (стеарат натрия, $C_{17}H_{35}COONa$) не будет проявлять моющие свойства (мылиться) в жёсткой воде до тех пор, пока полностью не прореагирует с ионами кальция ($Ca^{2+}$), которые обуславливают жёсткость. В результате этой реакции образуется нерастворимый осадок — стеарат кальция. Мыло начнёт мылиться только после того, как все ионы кальция будут связаны в этот осадок.

1. Составим уравнение химической реакции между стеаратом натрия (мылом) и хлоридом кальция:

$2C_{17}H_{35}COONa + CaCl_2 \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca \downarrow + 2NaCl$

2. Рассчитаем молярные массы реагентов, используя значения относительных атомных масс из периодической таблицы (округлённые для удобства расчётов): $C \approx 12$, $H \approx 1$, $O \approx 16$, $Na \approx 23$, $Ca \approx 40$, $Cl \approx 35.5$.

Молярная масса хлорида кальция ($CaCl_2$):
$M(CaCl_2) = M(Ca) + 2 \times M(Cl) = 40 + 2 \times 35.5 = 111 \text{ г/моль}$

Молярная масса стеарата натрия ($C_{17}H_{35}COONa$):
$M(C_{17}H_{35}COONa) = 18 \times M(C) + 35 \times M(H) + 2 \times M(O) + M(Na) = 18 \times 12 + 35 \times 1 + 2 \times 16 + 23 = 216 + 35 + 32 + 23 = 306 \text{ г/моль}$

3. Найдём количество вещества (в молях) хлорида кальция, содержащегося в 1 литре воды.

$n(CaCl_2) = \frac{m(CaCl_2)}{M(CaCl_2)} = \frac{0.225 \text{ г}}{111 \text{ г/моль}} \approx 0.002027 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, на 1 моль $CaCl_2$ расходуется 2 моль мыла ($C_{17}H_{35}COONa$). Определим количество вещества мыла, необходимое для реакции.

$n(C_{17}H_{35}COONa) = 2 \times n(CaCl_2) = 2 \times 0.002027 \text{ моль} \approx 0.004054 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу мыла, которая будет израсходована.

$m(C_{17}H_{35}COONa) = n(C_{17}H_{35}COONa) \times M(C_{17}H_{35}COONa)$
$m(C_{17}H_{35}COONa) = 0.004054 \text{ моль} \times 306 \text{ г/моль} \approx 1.24 \text{ г}$

Ответ: прежде чем мыло начнёт мылиться и удалять грязь, израсходуется 1.24 г твёрдого мыла.

4. Перечислите вред, который причиняет жёсткая вода в быту и на производстве.

1)

2)

3)

4)

1) В быту жёсткая вода является основной причиной образования накипи на нагревательных элементах чайников, бойлеров, стиральных и посудомоечных машин. Слой накипи обладает плохой теплопроводностью, из-за чего увеличивается расход электроэнергии на нагрев воды, а сами приборы быстрее выходят из строя. Ответ: Образование накипи на бытовых приборах, что приводит к увеличению расхода энергии и их преждевременной поломке.

2) Ионы кальция и магния, содержащиеся в жёсткой воде, вступают в реакцию с мылом и другими моющими средствами, образуя нерастворимый осадок ("мыльный шлак"). В результате моющие средства плохо пенятся, их расход значительно увеличивается. Кроме того, этот осадок оставляет разводы на посуде и сантехнике, а ткани после стирки становятся жёсткими и быстрее изнашиваются. Ответ: Увеличение расхода мыла и моющих средств, ухудшение качества стирки и мытья.

3) На производстве (например, в системах охлаждения, паровых котлах на ТЭЦ) жёсткая вода приводит к образованию толстого слоя твёрдых отложений (накипи) на внутренних поверхностях труб и теплообменников. Это приводит к сужению просвета труб, снижению теплоотдачи, перерасходу топлива и, в самых опасных случаях, к перегреву и взрыву котлов, что влечёт за собой дорогостоящий ремонт и остановку производства. Ответ: Образование накипи в промышленном оборудовании (котлах, трубах), что снижает их эффективность, увеличивает затраты на энергию и может привести к авариям.

4) В некоторых отраслях промышленности использование жёсткой воды напрямую ухудшает качество конечной продукции. Например, в пищевой промышленности она может изменять вкус напитков; в текстильной — мешать равномерному окрашиванию тканей; в целлюлозно-бумажной — снижать белизну бумаги. Это требует установки дорогостоящих систем водоподготовки. Ответ: Ухудшение качества продукции в пищевой, текстильной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

5. Изучите по этикетке состав одной из столовых минеральных вод. Запишите формулы соединений, являющихся причиной её жёсткости, и их содержание в данном объёме бутылки.

Для выполнения данного задания был изучен химический состав столовой минеральной воды «Архыз» на примере стандартной бутылки объёмом 1,5 литра.

Жёсткость воды — это совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$).

Формулы соединений, являющихся причиной её жёсткости

Ионы кальция и магния в воде находятся в виде различных солей. В зависимости от аниона, с которым связаны эти катионы, различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жёсткость.

1. Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли разлагаются при кипячении, образуя осадок, поэтому такая жёсткость называется временной.
- Гидрокарбонат кальция: $Ca(HCO_3)_2$
- Гидрокарбонат магния: $Mg(HCO_3)_2$

2. Постоянная (некарбонатная) жёсткость вызвана присутствием сульфатов, хлоридов и других солей кальция и магния, которые не удаляются при кипячении.
- Сульфат кальция: $CaSO_4$
- Сульфат магния: $MgSO_4$
- Хлорид кальция: $CaCl_2$
- Хлорид магния: $MgCl_2$

На этикетке минеральной воды указывается концентрация отдельных ионов, поэтому мы можем рассчитать общее содержание ионов кальция и магния, которые и являются причиной жёсткости.

Содержание соединений в данном объёме бутылки

Рассчитаем массу ионов кальция и магния в бутылке минеральной воды «Архыз» объёмом 1,5 л, используя данные с этикетки.

Дано:
Объём бутылки воды, $V = 1.5$ л
Диапазон концентрации ионов кальция, $C(Ca^{2+}) = 25–60$ мг/л
Диапазон концентрации ионов магния, $C(Mg^{2+}) = 5–20$ мг/л

Найти:
Массу ионов кальция $m(Ca^{2+})$ и массу ионов магния $m(Mg^{2+})$ в бутылке.

Решение:
Массу растворённого вещества (иона) в заданном объёме раствора можно рассчитать по формуле:
$m = C \cdot V$,
где $m$ — масса вещества, $C$ — его массовая концентрация, $V$ — объём раствора.

1. Расчёт массы ионов кальция ($Ca^{2+}$):
Так как концентрация указана в виде диапазона, рассчитаем минимальное и максимальное возможное содержание ионов кальция в бутылке.
Минимальная масса: $m_{min}(Ca^{2+}) = 25 \text{ мг/л} \cdot 1.5 \text{ л} = 37.5 \text{ мг}$
Максимальная масса: $m_{max}(Ca^{2+}) = 60 \text{ мг/л} \cdot 1.5 \text{ л} = 90 \text{ мг}$

2. Расчёт массы ионов магния ($Mg^{2+}$):
Аналогично рассчитаем диапазон массы для ионов магния.
Минимальная масса: $m_{min}(Mg^{2+}) = 5 \text{ мг/л} \cdot 1.5 \text{ л} = 7.5 \text{ мг}$
Максимальная масса: $m_{max}(Mg^{2+}) = 20 \text{ мг/л} \cdot 1.5 \text{ л} = 30 \text{ мг}$

Ответ:
Причиной жёсткости столовой минеральной воды являются соли кальция и магния. Формулы основных соединений: $Ca(HCO_3)_2$, $Mg(HCO_3)_2$, $CaSO_4$, $MgSO_4$, $CaCl_2$, $MgCl_2$.
Содержание ионов, вызывающих жёсткость, в бутылке минеральной воды «Архыз» объёмом 1,5 л составляет:
- масса ионов кальция ($Ca^{2+}$) находится в диапазоне от 37,5 до 90 мг;
- масса ионов магния ($Mg^{2+}$) находится в диапазоне от 7,5 до 30 мг.

Часть I

1. Строение атома алюминия: $ _{13}\text{Al} \Box \bar{e}, \Box \bar{e}, \Box \bar{e} $

$ \text{Al}^0 \xrightarrow{\text{окисление}} \text{Al}^{\Box} $

Решение:

1. Строение атома алюминия:

Алюминий ($Al$) — химический элемент, расположенный в 3-м периоде, IIIА группе периодической системы, с порядковым номером 13.

Порядковый номер элемента указывает на количество протонов в ядре и, для нейтрального атома, на общее количество электронов. Таким образом, атом алюминия содержит 13 протонов и 13 электронов.

Электроны в атоме распределяются по энергетическим уровням (электронным слоям). Номер периода (3) указывает на количество энергетических уровней у атома. Для алюминия их три. Распределение 13 электронов по этим уровням происходит следующим образом:
- на первом энергетическом уровне, который может вместить максимум 2 электрона, находится 2 электрона ($2\bar{e}$);
- на втором энергетическом уровне, который может вместить максимум 8 электронов, находится 8 электронов ($8\bar{e}$);
- на третьем (внешнем) энергетическом уровне находятся оставшиеся электроны: $13 - 2 - 8 = 3$ электрона ($3\bar{e}$).

Следовательно, электронная конфигурация атома алюминия по слоям: $2, 8, 3$. В пустые ячейки в задании необходимо вписать эти числа.

Далее в задании представлена схема процесса окисления. Окисление — это процесс отдачи электронов, при котором степень окисления элемента повышается. Атом алюминия, как металл, склонен отдавать электроны своего внешнего уровня. У алюминия 3 валентных электрона.

Отдавая 3 электрона, нейтральный атом алюминия со степенью окисления 0 ($Al^0$) превращается в положительно заряженный ион (катион) со степенью окисления $+3$ ($Al^{+3}$). Этот процесс можно описать полуреакцией:
$Al^0 - 3\bar{e} \rightarrow Al^{+3}$

Таким образом, в ячейку перед символом алюминия ($Al$) в правой части схемы нужно вписать его степень окисления после окисления, то есть $+3$.

Ответ:

Строение атома алюминия: $₁₃\text{Al} \; 2\bar{e}, 8\bar{e}, 3\bar{e}$

$Al^0 \xrightarrow{\text{окисление}} {}^{+3}Al$