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 50оС 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 13оС 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: CaxCly; AlxCly; AlxSy; FexCly; SixOy; AlxOy; Bax(CO3)y; Kx(PO4)y; Alx(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.