Ответы к §34. Типы химических реакций на примере свойств воды

i. Работа в информационной среде

1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.

Ответ:

1. https://www.yaklass.ru/p/himija/89−klass/klassifikatciia−khimicheskikh−reaktcii−i−zakonomernosti−ikh−protekaniia−212242/klassifikatciia−khimicheskikh−reaktcii−po−chislu−i−sostavu−vstupivshikh−_−212243/re−160925e1−56b7−452d−8614−0fd958e743cd
2. https://videouroki.net/video/32−tipy−khimichieskikh−rieaktsii−na−primierie−svoistv−vody.html

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Ответ:

                                                      Электролиз
Для воды характерна реакция разложения – электролиз воды. Он протекает под действием электрического тока в специальном устройстве – электролизёре. В результате образуется два газа – кислород и водород.
Электролиз − это процесс, в котором постоянный электрический ток, пропускаемый через ионизированный раствор или расплав вещества (электролит), используется для инициирования химической реакции на электродах (положительно заряженном аноде+ и отрицательном катоде−), приводящей к диссоциации вещества на положительные ионы−катионы на стороне катода и отрицательные ионы−анионы на стороне анода. При электролизе воды, при прохождении через нее постоянного электрического тока, на стороне анода происходит диссоциация воды с образованием молекул кислорода $O_{2}$ и выделением положительно заряженных ионов водорода $H^{+}$ и имеющих отрицательный заряд электронов $e^{-}$. На катоде−, ионы водорода $H^{+}$ принимают электроны, образуя газообразный водород $H_{2}$.
$2Н_{2}О\overset {эл. ток}{→} 2Н_{2}↑+ О_{2}$↑.
Вышеописанный электролиз чистой воды без чрезмерных затрат энергии проходит очень медленно или не проходит совсем. Для того, чтобы эффективно проводить электролиз воды, в нее добавляют электролит − или растворимый в воде, или твердый − увеличивающий электрическую проводимость воды.
При выборе электролита необходимо, чтобы между катионами (положительно заряженными ионами) электролита и катионами, которые может отдать вода, то есть $H^{+}$, не было конкуренции − иначе, не будет произведен водород. Для этого, катион электролита должен иметь меньший электродный потенциал, чем катион $H^{+}$; на роль катиона подходят Li, Rb, K, Cs, Ba, Sr, Ca, Na и Mg.
Также, в роли электролита можно рассматривать и кислоты, т.к. при их диссоциации образуется ион $H^{+}$ , как и при диссоциации воды − и конкуренции между ними нет.
В качестве электролита для электролиза воды используются сильные щелочи: гидроксид калия KOH и едкий натр NaOH. Иногда, используется сильная кислота, как правило, серная кислота $H_{2}SO_{4}$.
Кроме растворов электролитов, для электролизного производства воды могут использоваться и твердые электролиты.

?. Вопросы и задания

1. Закончите уравнения реакций, схемы которых:
а)$ H_{2}O + SO_{2}$ ⟶
б) $K_{2}O + H_{2}O$ ⟶
в) $Ba + H_{2}O$ ⟶
г) $K + H_{2}O$ ⟶
д) $CaH_{2}+Н_{2}O$ ⟶
е) $Al_{4}C_{3}+ H_{2}O$ ⟶
Укажите типы реакций по признаку "число и состав исходных веществ и продуктов реакции".
Назовите продукты реакций.

Ответ:

а) $ \underset{оксид\;водорода}{H_{2}O} + \underset{оксид\;серы\;IV}{SO_{2}} = \underset{сернистая\;кислота}{H_{2}SO_{3}}$ − реакция соединения

б) $\underset {оксид\;калия}{K_{2}O} + \underset{оксид\;водорода}{H_{2}O} = \underset {гидроксид\;калия}{2 KOH}$ − реакция соединения

в) $\underset {барий}{Ba} + \underset{оксид\;водорода}{2H_{2}O} = \underset {гидроксид\;бария}{BA(OH)_{2}} + \underset {водород}{H_{2}}↑$ − реакция замещения

г) $\underset {калия}{2K} + \underset{оксид\;водорода}{2H_{2}O} = \underset {гидроксид\;калия}{2 KOH} + \underset {водород}{H_{2}}↑$ − реакция замещения

д) $\underset {гидрид\;кальция}{CaH_{2}} + \underset{оксид\;водорода}{2Н_{2}O} = \underset {гидроксид\;кальция}{Ca(OH)_{2}} + \underset {водород}{2H_{2}↑}$ − реакция обмена

е) $\underset {карбид\;алюминия}{Al_{4}C_{3}} + \underset{оксид\;водорода}{12H_{2}O} = \underset{гидроксид\;алюминия}{4Al (OH)_{3}} + \underset{метан}{3CH_{4}}$ − реакция обмена

2. Какой объём ацетилена (н.у.) образуется в результате гидролиза 320 мг карбида кальция, содержащего 2% примесей?

Ответ:

Дано:
m (смеси) = 320 мг;
ω (примеси) = 2 %;
_____________
V ($C_{2}H_{2}$) − ?
Решение:
$CaC_{2}+2H_{2}O = Ca(OH)_{2}+C_{2}H_{2}↑$;
$ω _{чист}(СаС_{2}) = 100 - ω (примеси) = 100 - 2 = 98$% или 0,98;
m (вещ−во) = m (р−ра) * ω;
m (смеси) = 320 * 0,001 = 0,32 г
$m (СаС_{2}) = m (смеси) * ω _{чист}(СаС_{2}) = 0,32 * 0,98 = 0,314$ г;
$n = \frac{m}{M}$;
M ($СаС_{2}$) = 1 * Ar (Ca) + 2 * Ar (C) = 40 + 2 * 12 = 64 г/моль;
$n (СаС_{2}) = \frac {m (СаС_{2})}{M (СаС_{2})} = \frac {0,314} {64} = 0,005$ моль
Запишем уравнение реакции и составим пропорции:
$\underset{1 моль}{\overset{0,005 моль}{CaC_{2}}} +2H_{2}O = Ca(OH)_{2} + \underset{1 моль}{\overset{x}{C_{2}H_{2}}}$;
$x = n (C_{2}H_{2}) = \frac{0,005 * 1}{1} = 0,005 $ моль;
$V = V_{m} * n$;
$V_{m}$= 22,4 л/моль;
$V (C_{2}H_{2}) = V_{m} * n (C_{2}H_{2})$ = 22,4 * 0,005 = 0,112 л = 112 мл.
Ответ. 112 мл.

3. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
1 2 3
Li → Li2O → LiOH → Li2SO4
|____4_______↑
Укажите типы реакций по признаку числа и состава исходных веществ и продуктов реакции.

Ответ:

1) $4Li + O_{2} = 2Li_{2}O$ − реакция соединения;
3) $Li_{2}O + H_{2}O = 2LiOH$ − реакция соединения;
4) $2LiOH + H_{2}SO_{4} = Li_{2}SO_{4} + 2H_{2}O$ − реакция обмена;
5) $2Li + 2H_{2}O = 2LiOH + H2↑$ − реакция замещения.

4. Вычислите объём (н.у.) водорода, который образуется при взаимодействии 9,2 г натрия, содержащего 2,5% примесей, с водой. Вычислите количество вещества щёлочи, которое получится при этом.

Ответ:

Дано:
m (смеси) = 9,2 г;
ω (примеси) = 2,5 %;
_____________
$V (H_{2})$ − ?
n (NaOH) − ?
Решение:
$2Na + 2H_{2}O =2 NaOH + H_{2}↑$
$ω_{чист} (Na) = 100 - 2,5 = 97,5$ % или 0,975;
$m_{чист} (Na) = m (cмеси) * ω_{чист} (Na) = 9,2 * 0,975 = 8,97$ г;
$n = \frac{m}{M}$;
M (Na) = 23 г/моль;
$n (Al) = \frac{$m_{чист} (Na)}{M (Na)} = \frac{8,97}{23} = 0,39$ моль.
Запишем уравнение реакции и составим пропорции:
$\underset{2 моль}{\overset{0,39 моль}{2Na}} + 2H_{2}O = \underset{2 моль}{\overset{x}{2 NaOH}} + \underset{1 моль}{\overset{y}{H_{2}}}$;
$x = n (NaOH) = \frac{0,39 * 2}{2} = 0,39$ моль;
$y = n (H_{2}) = \frac{0,39 * 1}{2} = 0,195 $ моль;
$V = V_{m} * n$;
$V_{m}$= 22,4 л/моль;
$V (H_{2}) = V_{m} * n (H_{2}) = 22,4 * 0,195 = 4,37 $ л.
Ответ. 0,39 моль; 4,37 л.

5. Найдите массу глюкозы и объём кислорода (н. у.), образующихся в процессе фотосинтеза, если в реакцию вступило 448 $м^{3}$ углекислого газа (н.у.). Вычислите количество вещества воды, которое для этого потребовалось.

Ответ:

Дано:
$V (CO_{2})$ = 448 $м^{3}$
_____________
$m (C_{6}H_{12}O_{6})$ − ?
$V (O_{2})$ − ?
$n (H_{2}O)$ − ?
Решение:
$6CO_{2}+6H_{2}O = C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}$;
$n=\frac{V}{V_{m}}$;
$V (CO_{2})$ = 448 * 1000 = 448 000 л;
$V_{m}$= 22,4 л/моль;
$n=\frac{V (CO_{2})}{V_{m}} = \frac {448000}{22,4} = 20 000$ моль;
Запишем уравнение реакции и составим пропорции:
$\underset{6 моль}{\overset{20000 моль}{6CO_{2}}} + \underset{6 моль}{\overset{x}{6H_{2}O}} = \underset{1 моль}{\overset{y}{C_{6}H_{12}O_{6}}} + \underset{6 моль}{\overset{z}{6O_{2}}}$;
$x = n (H_{2}O) = \frac{20000 * 6}{6} = 20000 $ моль;
$y = n (C_{6}H_{12}O_{6}) = \frac{20000 * 1}{6} = 3333 $ моль;
$z = n (O_{2}) = \frac{20000 * 6}{6} = 20000 $ моль;
m = n * M;
M ($C_{6}H_{12}O_{6}$) = 6 * Ar (С) + 12 * Ar (H) + 6 * Ar (O) = 6 * 12 + 12 * 1 + 6 * 16 = 180 г/моль;
$m (C_{6}H_{12}O_{6}) = n (C_{6}H_{12}O_{6}) * M (C_{6}H_{12}O_{6}) = 3333 * 180 = 599 940$ г или 599 кг.
$V = V_{m} * n$;
$V_{m}$= 22,4 л/моль;
$V (O_{2}) = V_{m} * n (O_{2})$ = 22,4 * 20000 = 448000 л или 448 $м^{3}$
Ответ. 599 кг; 448 $м^{3}$; 20000 моль.

Темы для дискуссии

1. Предложите свой простой и доступный способ очистки водопроводной воды на основе физических свойств.

Ответ:

Вода в быту используется постоянно, но не всегда безопасно то, что течет из−под крана, поэтому чтобы избавить воду от вредных примесей существуют определенные способы очистки воды в быту, например, кипячение, отстаивание, вымораживание и фильтрация с применением различных современных технологий.
                        Кипячение.
Самый доступный и распространенный способ водоочистки в быту − это, конечно, кипячение. Ее необходимо кипятить не менее 15 минут, затем дать время отстоятся и остыть перед употреблением. Вследствие длительного кипячения в воде погибают многие бактерии и микроорганизмы, но все же существуют и такие, которые выдерживают и длительное кипячение. Такой способ очистки делает воду мягче, потому что соли жесткости переходят в нерастворимое состояние и оседают на стенках чайника, улетучивается хлор и другие растворенные газы, но долго хранить такую воду невозможно, потому что в ней быстро начинают размножаться бактерии.
                       Фильтрование
Фильтрование – это, по сути, осветление воды, в процессе которого из нее удаляются посторонние примеси. Удаление происходит с помощью фильтров водоочистки.
                        Отстаивание
Очистить воду в быту способом отстаивания тоже довольно проблематично, потому что отстаивать воду следует не меньше 7 часов. Использовать можно только верхние слои отстоянной воды, а в оставшейся содержатся вредные вещества, хлор и другие примеси. Помимо всего такая вода обязательно нуждается в дополнительной обработке, например, кипячении или вымораживании.
                        Вымораживание
Еще одним способом очистки воды в быту является вымораживание и считается, что чистая вода без примесей замерзает первой, именно ее и следует употреблять людям. Та жидкость, которая не замерзает, содержит примеси и ее необходимо выливать. Вымораживание неплохой способ очистки, смягчения, но достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс.

2. Докажите, что используемый вашей семьёй бытовой фильтр для очистки воды наиболее оптимален.

Ответ:

Рассмотрим принцип действия кувшинного фильтра.
Вода поступает в верхнюю чашу, затем под тяжестью собственного веса проходит через специальный картридж в нижнюю чашу. Производительность кувшина от одного до полутора литров в минуту при pecypce (зависит от модели) 150−400 литров. Достоинство кувшина состоит в том, что он не требует подключения к водопроводу. Опять же, картридж можно менять, что добавляет кувшину универсальности, так как используя разные картриджи, можно убирать различные загрязнения. Например, чтобы смягчить воду и удалить железо, ставится специальная кассета. Кроме того, кувшин легко мыть, а менять кассеты в нём достаточно просто.
К недостаткам этих фильтров можно отнести то, что они ограничены в объеме, то есть за раз можно получить только полтора, два с половиной литра чистой воды. Кроме того, нужно ждать от 4 до 20 минут.
Еще один недостаток: фильтр нужно использовать ежедневно. Интервал простоя не должен превышать 8 часов, т.к. запускается механизм размножения бактерий в кассете, где существует питательная среда для размножения микроорганизмов.
Следует строго следить за своевременной заменой кассет, делая поправку на качество воды, иначе фильтр будет отдавать больше вредных примесей и бактерий, чем поглощать.

3. Предложите четыре пары химических антонимов для классификации реакций.

Ответ:

1. По признаку обратимости:
− обратимые (реакции, которые в данных условиях протекает одновременно в двух взаимно противоположных направлениях):
$ЗН_{2} + N_{2} ⇄ 2NH_{3}$
− необратимые (реакции, которые в данных условиях протекает до конца, т. е. до полного превращения исходных реагирующих веществ в конечные продукты реакции):
$СН_{4} + 2O_{2} → СO_{2}↑ + 2Н_{2}O$
2. По тепловому эффекту:
− экзотерические (реакции, проходящая с выделением теплоты):
$СН_{4} + 2O_{2} → CO_{2}↑ + 2Н_{2}O $
− эндотермические (реакции, проходящие с поглощением теплоты):
$CaCO_{3} \overset{t}{→} CaO + CO_{2}$
3. По изменению степени окисления:
− проходящие с изменением степени окисления атомов (окислительно−восстановительные) (реакции, при которой происходит переход электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим):
$\overset{+2}{Cu}SO_{4} + \overset{0}{Fe} → \overset{+2}{Fe}SO_{4} + \overset{0}{Cu} ↓$
− проходящие без изменения степени окисления (реакции, в которой степень окисления каждого атома после реакции остается неизменной):
$\overset{+2}{Ca}\overset{+4}{C}\overset{-2}{O_{3}} \overset{t}{→} \overset{+2}{Ca}\overset{-2}{O} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_{2}}$
4. По использованию катализатора:
− каталитические:
$4NH_{3} + 5O_{2} \overset{кат.}{→} 4NO + 6H_{2}O$
− некаталитические:
$4NH_{3} + 3O_{2} → 2N_{2} + 6H_{2}O$