Контрольные вопросы и задачи

 

1 Рассчитайте молярные массы (в г/моль) для: бензола; перманганата калия; пентагидрата сульфата меди.

2 Где содержится больше атомов водорода: в 90 г воды или 80 г метана?

3 Первая стадия получения серной кислоты в промышленности, дающая наибольшее количество вредных выбросов в атмосферу - обжиг пирита, минерала, отвечающего формуле FeS₂. Определите массовые доли (в процентах) железа и серы в пирите. Рассчитайте массу серы, которая содержится в 1 т пирита.

4 Чему равна масса 1 м³ воздуха при н.у.?

5 Какой объем (н.у.) займут 0,4∙10^{-3 м3} газа, находящегося при 50^оС и давлении 0,954∙10⁵ Па?

6 Назвать следующие вещества: NH₄Cl, H₂SO₄, H₃PO₄, K₂CO₃, Na₂O, H₂S, Al₂S₃, KHCO₃, NaHSO₄, NaH₂PO₄; Na₃PO₄; NaH₂PO₄; Al(OH)NO₃; KClO. KClO₃, KClO₄, K₂Cr₂O₇; Na₂SO₃, NaClO, Na₂CrO₄, NH₄ClO₄, BaMnO₄.

7 Чему равен эквивалент Н₃РО₄ в реакции с едким кали при образовании вторичного фосфата калия?

8 Масса 0,327∙10^{-3 м3} газа, при 13^оС и давлении 1,04∙10⁵ Па, равна 0,828∙10^{-3 кг} . Вычислить молярную массу газа.

9 При взаимодействии 100 г образца карбида кальция с водой выделилось 20 л ацетилена, измеренного при нормальных условиях. Определить процентное содержание карбида кальция в образце.

10 Написать формулы следующих солей: основного карбоната магния; дигидрофосфата калия, гидросульфата калия; сульфита калия, перхлората натрия, сульфида алюминия.

11 Сколько литров водорода выделится при взаимодействии 20 г цинка с соляной кислотой при нормальных условиях?

12 Рассчитать массу 2,5 м³ кислорода при нормальных условиях?

13 Водород при температуре 17⁰С и давлении 10 мПа занимает объем 0,7 м³. Привести газ к нормальным условиям.

14 Сколько атомов железа содержится в куске железа массой 5,5 кг?

15 Вычислите массу меди, содержащейся в 444 г карбоната меди.

16 Вычислите, сколько атомов азота содержится в 12,6 г азотной кислоты. Сколько моль атомов азота это составляет?

17 Назвать следующие вещества: NаOН; Сu(NO₃)₂; BaSO₄; Ca₃(PO₄)₂; HNO₃; MnSO₄; NaHCO₃; ZnOHCl; NO; N₂O₃; N₂O₅^; CuOHCl; SO₂; SO₃; NaHCO₃; K₂Cr₂O₇, K₄[Fe(CN)₆].

18 Химику, окончившему институт много лет назад, задали вопрос: «Почему в азотной кислоте степень окисления азота равна IV, а валентность – четырем?» «Быть такого не может, это ошибка! Валентность азота равна пяти!» - подумал он, но промолчал. И в самом деле, какова валентность атома азота в молекуле азотной кислоты?

19 Какой объем водорода полностью сгорит в 1 л воздуха?

20 Рассчитайте массу азота объемом 30 л при нормальных условиях?

21 В баллоне вместимостью 60 л при 20⁰С и 40 атм находится гелий. Определите объем израсходованного гелия при н.у., если после 8 часов работы давление в баллоне понизилось до 32 атм, а температура возросла до 22⁰С.

22 При 12⁰С давление в баллоне с аргоном равно 60 атм. Каким будет давление в баллоне, если его нагреть до температуры 24⁰С?

23 Определите валентность элементов в соединениях: ZnS; PH₃; H₂S; Al₂S₃; Cl₂O₅; Fe₂O₃; NH₃; MgO; CO₂; CH₄; SO₂; AgCl; HBr; Na₂SO₄; Mg(OH)₂.

24 Какую массу алюминия необходимо взять для восстановления железа из 464 г железной окалины (Fe₃O₄)?

25 В состав клеток организма человека входит в среднем 65% кислорода, 18% углерода и 10% водорода по массе. Атомов, какого элемента больше всего в организме человека?

26 Одинаковое ли (и какое именно) число молекул содержится в 1 г воды и в 1 г кислорода? Какова роль этих веществ в природе?

27 Монооксид углерода («угарный газ») - опасный загрязнитель атмосферы. Он снижает способность гемоглобина крови к переносу кислорода, вызывает болезни сердечно-сосудистой системы, снижает активность работы мозга. Из-за неполного сжигания природного топлива ежегодно на Земле образуется 500 млн. т CO. Определите, какой объем (при н.у.) займет угарный газ, образующийся на Земле по этой причине.

28 Составьте формулы следующих соединений: Ca_xCl_y; Al_xCl_y; Al_xS_y; Fe_xCl_y; Si_xO_y; Al_xO_y; Ba_x(CO₃)_y; K_x(PO₄)_y; Al_x(SO₄)_y.

29 Бак для горючего трактора марки МТЗ содержит дизельное топливо массой 80 кг. Какой объем воздуха расходуется на сжигание этого топлива, если массовая доля углерода в нем 79%, а водорода 21%?

30 Рассчитайте объем, который занимает (при н.у.) порция газа, необходимого для дыхания, если в этой порции содержится 2,69·10²² молекул этого газа. Какой это газ?

31 В процессах фотосинтеза зеленые растения усваивают из воздуха газообразный оксид углерода, относительная плотность которого по водороду составляет 22. Какова формула этого оксида углерода?

32 Напишите формулы следующих веществ: оксид меди (I); оксид меди (II); гидроксид меди (I); сульфат натрия; нитрат меди (II); сульфат бария; гидроксид калия; нитрат железа (III); хлорид меди (II); сульфат алюминия; оксид железа (III); фосфат калия; карбонат кальция; оксид серы (IV); оксид фосфора (V).

33 В состав фосгена входит: углерод (12,12%), кислород (16,16%) и хлор (71,72%). Выведите формулу молекулы фосгена. Относительная плотность фосгена по гелию равна 24,75.

34 Сколько литров кислорода (н.у.) расходуется для полного сгорания 6,6 моль пропана?

35 Баллон емкостью 1000   л наполнен газом под давлением 10 атм при температуре 25⁰С. Масса газа – 11,5 кг. Какое количество газа находится в баллоне? Чему равна молекулярная масса этого газа? Определите, какой газ находится в баллоне, при условии, что это чистый элемент.

36 Для газовой резки металлов часто применяют ацетилен С₂Н₂, получаемый на месте работы взаимодействием карбида кальция СаС₂ с водой по реакции: CaC₂+H₂O→Ca(ОН)₂+С₂Н₂. Рассчитать, сколько ацетилена может быть получено при разовой загрузке в аппарат 30 кг карбида кальция (н.у.).

37 При сварке стальных деталей в некоторых случаях используется метод алюминотермии, состоящий в восстановлении оксида железа металлическим алюминием. Протекает реакция: 3Fe₃O₄+8Al = 4Al₂O₃+9Fe +795 ккал. Рассчитать, сколько требуется исходных материалов для сварки 1500 стыков, если на каждый стык расходуется 2,5 кг железа.

38. Сколько атомов водорода содержится в 3 л воды при 20˚С и давлении 1 атм?

39. Пылинка алюминия имеет массу 10^{-8 г} . Из какого числа атомов она состоит?

40. Определить массу 10 л (н.у.) газовой смеси, в которой на 1 молекулу метана приходятся 2 молекулы этана, 3 молекулы пропана и 4 молекулы бутана?

41. Обычная химическая реакция может защитить людей от серьезных травм. Примером может служить быстрое выделение больших количеств газа при срабатывании автомобильной подушки безопасности:

2Na₃N → 6Na + N₂

10Na + 2KNO₃ → K₂O + 5Na₂O + N₂

Сколько граммов азида натрия и нитрата калия потребуется для выделения азота, заполняющего подушку безопасности объемом 15 л при 50˚С и 1,25 атм?

42. Легкие пористые бетоны получаются при взаимодействии алюминия с гидроксидом кальция (уравнять) Ca(OH)₂ + Al + H₂O → Ca(H₂AlO₃)₂ + H₂. Водород вспенивает массу. Такой бетон используется как тепло- и звукоизоляционный материал. Определить массу алюминия, необходимую для получения водорода объемом 560 м³? Назвать все сложные вещества. К каким классам соединений они принадлежат?

43. Монокристаллы дигидрофосфата калия используют в промышленности для изготовления миниатюрной радиоаппаратуры. Определите массы щелочи и ортофосфорной кислоты, необходимые для получения дигидрофосфата калия массой 40,8 кг?

44. Автомобиль ГАЗ-24 Волга в сутки проходит в среднем 250 км, расход бензина А-76 составляет 18 л на 100 км. По ГОСТ 132 10-72 в топливе этой марки содержание тетраэтилсвинца (ТЭС) 0,41 г/кг. Плотность топлива 0,73 г/см³. Какая масса свинца  будет выброшена в атмосферу за месяц?

45. Природный газ месторождения Лак во Франции имеет следующий состав (в объемных долях): метан (0,69), сероводород (0,16), этан (0,06), углекислый газ (0,09). Рассчитайте объем (н.у.) природного газа, при сжигании которого в окружающей среде образуется (в конечном счете) 1 т серной кислоты.

46. При обработке 100 г образца карбида кальция водой получено 30 л ацетилена, измеренного при нормальных условиях. Определите процентное содержание СаС₂ в образце.

47. В каком объеме воздуха при нормальных условиях содержится 5 моль азота?

48. Какому закону химии не соответствует следующее написание химической реакции Са(ОН)₂ + НСl = CaCl₂ + H₂O?

49. Вычислите массовую долю (%) кислорода в следующих соединениях: HNO₃;   Ag₂O;   KOH;   Ca₃(PO₄)₂.

50. Рассчитать, сколько уксусноэтилового эфира можно получить из 150 г уксусной кислоты и избытка этилового спирта, приняв выход эфира равным 85% от теоретического.

ТЕМА 2    СТРОЕНИЕ АТОМА

 

В середине XIX в. большинством ученых признавалось реальное существование атомов, но понятие о них было неправильное (метафизическое) – атом понимался как мельчайшая частица вещества, неделимая ни при каких условиях. Лишь отдельные ученые предполагали сложность атомной структуры, делимость при определенных условиях. Подтвердившие их предвидения открытия были сделаны в конце XIX в., началось быстрое развитие учения о строении атома. Атом действительно оказался сложной системой, и первыми обнаруженными в атоме частицами были электроны. К этому времени было известно, что при сильном накаливании (и при освещении ультрафиолетовыми лучами) с поверхности металла удаляются отрицательно заряженные частицы и металл заряжается положительно. В выяснении природы этого явления большое значение имели работы ученых А.Г. Столетова и У. Крукса. В 1879 г. Крукс исследовал отклонение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, а также вращение вертушки внутри катодной трубки под действием электрического тока высокого напряжения (рисунок 1). Свойство катодных лучей приводить в движение тела и отклоняться в магнитном и электрическом полях позволило убедиться, что это материальные частицы, несущие наименьший отрицательный заряд (электроны). Поскольку электроны могут быть получены независимо от природы вещества электрода, это доказывает, что они входят в состав атомов любого элемента.

 

 

 

Рисунок 1 – Отклонение лучей в электрическом поле

 

Результатом работ Р.Э. Милликена, проводившихся в 1909-1914 гг., было определение заряда электрона, а Дж. Франк и Г.Л.Герц доказали в 1912 г. дискретность его энергии в атоме.

Самая характерная особенность электронов - двойственность (дуализм) их поведения, заключающаяся в способности проявлять одновременно как свойства частиц, так и волновые свойства: подобно частице они обладают определенной массой и зарядом, а также движущемуся потоку электронов присущи такие волновые свойства, как способность к дифракции. В отличие от обычных тел для электрона в атоме нельзя одновременно определить его координаты и скорость. Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова, что описывается с помощью электронной волновой функции, называемой орбиталью.

В 1896 г. А.А. Беккерель обнаружил, что соединения урана обладают способностью испускать невидимые лучи, действующие на фотопластинку, даже завернутую в черную бумагу. В 1898 г. М. Склодовская-Кюри и П. Кюри открыли в урановой руде два новых элемента – радий Rа и полоний Ро, обладающих очень большой активностью излучения. Они установили, что это свойственно и другим элементам, находящимся в 7-м периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (торий Тh, актиний Ас). Самопроизвольный распад атомов элементов, сопровождающийся испусканием излучения, называется радиоактивностью (от лат. radio - излучаю и activus - действенный) (таблица 1).

 

Таблица 1 - Характеристики радиоактивного излучения

Частицы
α	β	γ
Поток положительно заряженных частиц – ядер атомов гелия 42Не. Начальная скорость движения ≈20 000 км/с	Поток отрицательно заряженных частиц – электронов. Скорость движения от 100 000 до 300 000 км/с	Неотклоняемые в электрическом поле лучи. Подобны световым лучам, обладают высокой проницаемостью и малой длиной волны

 

В 1899-1903 гг. Э. Резерфорд установил природу радиоактивного излучения. Исследованиями М.Склодовской-Кюри и других ученых было установлено, что при радиоактивном распаде ядер атомов радия образуются гелий и неизвестный до того элемент, названный радоном (элемент №86):

Таким образом, новые открытия доказали, что атом является сложной системой и состоит из более простых частиц.

Электроны выделяются из самых различных веществ, они являются составной частью атомов всех элементов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, а атом в целом электронейтрален, то, очевидно, внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов. Экспериментальные данные о наличии положительно заряженного ядра и его расположении в атоме были получены английским ученым Резерфордом и его учениками в 1909-1911 гг. при исследовании движения α -частиц в газах и других веществах (рисунок 2).

На основе экспериментальных данных Резерфорд (1911) высказал гипотезу о планетарном строении атома. Согласно этой гипотезе, в атоме находится очень малое по размеру ядро (10^-12-10^{-13 см), вокруг которого по круговым орбитам движется такое число электронов, что они своим отрицательным зарядом нейтрализуют положительный заряд ядра. Предложенная модель строения атома получила широкое распространение, но в дальнейшем исследователи натолкнулись на ряд принципиальных трудностей. Так, согласно классической электродинамике вращающийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и, следовательно, двигаться не по окружности, а по спиралевидной кривой и, в конце концов, упасть на ядро.}

 

Рисунок 2 – Траектория движения α -частиц

 

В 1913 г. Г. Мозли установил равенство заряда ядра атома химического элемента его порядковому номеру в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.  Позже было доказано, что в атомном ядре имеются ядерные  частицы  (нуклоны)  -  обусловливающие  заряд  ядра   протоны  (Э.Резерфорд, 1920 г.) и не несущие заряда, но имеющие такую же массу нейтроны (Дж. Чедвик, 1932 г.) (таблица 2).

 

Таблица 2 - Характеристики атомных частиц

Атомная частица	Заряд		Масса
	Кл	усл.ед.	г	а.е.м.
Электрон - 1 0е (е)	-1,6·10–19	-1	9,1·10–28
Протон 11р (р)	-1,6·10–19	+1	1,67·10–24	1,007825
Нейтрон 0 1n (n)	0	0	1,67·10–24	1,007825

 

Таким образом, модель строения атома можно обобщить следующими положениями:

1 В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.

2 Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/1836 а.е.м.).

3 Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих общее название нуклоны (от лат. nucleus - ядро). Число протонов в ядре и число электронов в атоме равно порядковому номеру химического элемента в периодической системе химических элементов, а суммарное количество протонов и нейтронов в ядре атома соответствует его массовому числу.

4 Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны, число которых равно положительному заряду ядра атома, т.е. порядковому номеру химического элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

  Нуклиды – виды атомов, характеризующиеся любыми двумя из трех фундаментальных параметров - A – массовое число, Z – заряд ядра (равен числу протонов), n – число нейтронов в ядре:

Z = A – n,  n = A – Z,  A = Z + n,

В таблице 3 приведены примеры некоторых нуклидов.

 

Таблица 3 - Примеры некоторых нуклидов

Изотопы				Изобары				Изотоны
Нуклиды	Z	A	N	Нуклиды	Z	A	N	Нуклиды	Z	A	N
2010Ne	10	20	10	4018Ar	18	40	22	146C	6	14	8
2110Ne	10	21	11	4019K	19	40	21	157N	7	15	8
2210Ne	10	22	12	4020Ca	20	40	20	168O	8	16	8
23492U	92	234	142	23490Th	90	234	144	22888Ra	88	228	140
23592U	92	235	143	23492U	92	234	142	23090Th	90	230	140

Изотопы – нуклиды с одинаковым зарядом ядра Z, но различными атомной массой А и числом нейтронов n. Например, химический элемент водород (т.е. разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра, равным +1) в природе существует в виде ¹₁Н (протий), ²₁Н (дейтерий, ²₁D), ³₁H (тритий). Искусственно получен ⁴₁H, отличающийся числом нейтронов и массовым числом (n  и А), т. е. известны четыре изотопа водорода.

Изобары – нуклиды с одинаковой атомной массой А, но различными зарядом ядра Z и числом нейтронов n.

Изотоны – нуклиды с одинаковым числом нейтронов n, но различными зарядом ядра Z и атомной массой A.