1.3 Задачи индивидуального расчетного задания

Основные законы химии

1. В стратосфере на высоте 20-30 км находится слой озона O₃, защищающий Землю от мощного ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы не «озоновый экран» в атмосфере, то фотоны с большой энергией достигли бы поверхности Земли и уничтожили на ней все живое. Подсчитано, что в среднем на каждого жителя Москвы в воздушном пространстве над городом (вплоть до верхней границы стратосферы) приходится по 150 моль озона. Сколько молекул O₃ и какая масса озона приходится в среднем на одного москвича? Ответ: N(O₃) = 9,03 ^. 10²⁵, m(O₃) = 7,2 кг.

2. В школьном химическом кабинете пролили на пол немного соляной кислоты, и к концу урока она полностью испарилась. Хотя хлороводород сильно токсичен и при вдыхании оказывает раздражающее действие, ученики не почувствовали никакого постороннего запаха. Много ли молекул HCl оказалось в воздухе, если масса хлороводорода, перешедшего в газообразное состояние, равна 1 г? Ответ: N(HCl) = =1,65 ^. 10²².

3. Масса 200 см³ ацетилена при нормальных условиях равна 0,232 г. Определите молярную массу ацетилена. Ответ: 26,0 г/моль.

4. При производстве серы автоклавным методом неизбежно выделяется около 3 кг сероводорода на каждую тонну получаемой серы. Сероводород – чрезвычайно ядовитый газ, вызывающий головокружение, тошноту и рвоту, а при вдыхании в большом количестве – поражение мышцы сердца и судороги, вплоть до смертельного исхода. Какой объем сероводорода (при н.у.) выделится при получении 125 т серы на химзаводе? Ответ: 247 м³ H₂S.

5. Грузовой автомобиль загрязняет воздух вредными выбросами: на каждые 10 км пути с его выхлопными газами в атмосферу попадает 700 г монооксида углерода и 70 г монооксида азота. Каким будет объем (при н.у.) этих вредных веществ при перевозке груза на расстояние 250 км четырьмя автомобилями? Ответ: 56 м³ CO и 5,2 м³ NO.

6. Природный газ (метан CH₄) не имеет никакого запаха. Чтобы легче обнаруживать его утечку из бытовых нагревательных приборов и газопроводов, к нему добавляют немного фосфина PH₃, запах которого («запах газа») ощущается, если в 10 м³ природного газа находится всего 0,01 мл фосфина. Рассчитайте число молекул фосфина в 0,01 мл (н.у.) этого газа. Ответ: 2,69 ^. 10¹⁷ молекул PH_3.

7. Оконные стекла и дверцы вытяжных шкафов в химической лаборатории часто бывают покрыты белым налетом, состоящим из кристаллов хлорида аммония. Причина этого явления – постоянное присутствие в воздухе лабораторий аммиака и хлороводорода. Рассчитайте количество и объем (при н.у.) этих газов, если образовалось 5 г хлорида аммония. Ответ: 0,093 моль (2,09 л) NH₃ и 0,093 моль (2,09 л) HCl.

8. Природный газ содержит главным образом метан CH₄, но в нем присутствуют и примеси, например, ядовитый сероводород H₂S – до 50 г на 1 кг метана. Чтобы удалить примесь сероводорода, можно провести его окисление перманганатом калия в кислой среде до серы. Рассчитайте количество серы, которую можно таким образом выделить из 1 т природного газа. Определите также, какая масса серной кислоты может быть получена, если всю выделенную серу направить в цех производства H₂SO₄. Ответ: 50 кг серы и 153 кг H₂SO₄.

9. Толщи известняка на земной поверхности и под землей медленно «размываются» под действием почвенных вод, где растворен диоксид углерода. Какую массу карбоната кальция CaCO₃ может перевести в растворимый гидрокарбонат кальция состава Ca(HCO₃)₂ вода, в которой растворено 10 моль CO₂? Практический выход для реакции химического растворения считайте равным 90 %. Ответ: 900 г CaCO₃.

10. Предельно допустимая среднесуточная концентрация монооксида углерода в воздухе составляет 3,0 мг/м³. Простейший газоанализатор, позволяющий определить наличие в воздухе ядовитой примеси СО, содержит белый порошок оксида иода (V), нанесенный на пемзу и помещенный в стеклянную трубочку. При взаимодействии I₂O₅ c CO идет окислительно-восстановительная реакция с выделением иода, который окрашивает содержимое трубочки в черный цвет. Какое количество монооксида углерода вызовет выделение 0,1 г иода в трубке газоанализатора? Какой объем воздуха (при н.у.), содержащего 3,0 мг/м³ CO, надо будет пропустить через трубку, чтобы в ней выделилось 0,1 г иода? Ответ: 0,0020 моль CO; 18 м³ воздуха.

11. Коррозия железа на воздухе в присутствии большого количества воды приводит к образованию метагидроксида железа состава FeO(OH). Рассчитайте, какая масса железа подверглась коррозии, если количество полученного в результате этого процесса FeO(OH) составило 11,5 моль. Определите также объем (при н.у.) кислорода, участвовавшего в реакции. Ответ: 644 г железа, 193,2 л O₂.

12. При выпечке печенья в качестве разрыхлителя теста используют пищевую соду (гидрокарбонат натрия) с добавкой уксусной кислоты. Эта смесь при нагревании разлагается, выделяя углекислый газ. Рассчитайте объем (при н.у.) CO₂, который выделится при использовании 1 чайной ложки (5 г) NaHCO₃ и избытка CH₃COOH.

Ответ: 1,33 л CO₂.

13. Взаимодействие минерала магнетита (оксида железа состава Fe₃O₄) с монооксидом углерода CO приводит к получению железа и выделению углекислого газа CO₂. В результате реакции было выделено 65,3 кг железа. Рассчитайте практический выход железа, если масса исходного магнетита составляла 110 кг. Определите объем (при н.у.) полученного газа. Ответ: практический выход 82 %.

14. Жженую известь, применяемую в строительстве, получают прокаливанием известняка. Определите массовую долю основного вещества (карбоната кальция) в известняке, если прокаливание его образца массой 5,0 кг привело к выделению 1,0 м³ углекислого газа (при н.у.). Ответ: 0,893 или 89,3 % карбоната кальция в известняке.

15. Карл-Вильгельм Шееле в 1774 году получил кислород термическим разложением перманганата калия KMnO₄. Помимо кислорода, при этом получаются оксид марганца (IV) и манганат калия K₂MnO₄. Кислород, выделенный при разложении 33,5 г перманганата калия, использовали для сжигания серы и при этом получили 2,1 л (при н.у.) диоксида серы SO₂. Определите практический выход кислорода при разложении перманганата калия. Рассчитайте массу серы, затраченной на сжигание. Ответ: практический выход 88,4 %, масса серы 3,0 г.

16. Разбитый термометр, в котором было 20,5 г ртути, выбросили в пруд. Прошло 4 месяца, и вследствие сложных биохимических процессов около 5 % этого опасного металла перешло в раствор в виде солей ртути (II) типа нитрата ртути (II) Hg(NO₃)₂. Определите количество и массу катионов ртути (II) в пруду. Определите, представляет ли опасность прудовая вода, если объем воды в пруду 80 м³, а санитарная норма предусматривает содержание не более чем 0,01 г Hg²⁺ в 1 м³. Ответ: 0,051 моль (1,025 г) Hg²⁺; вода опасна для здоровья, так как в ней содержится 0,013 г/м³ Hg²⁺ (выше нормы).

17. В какой массе NaOH содержится такое же количество эквивалентов, сколько в 140 г КОН? Ответ: 100 г.

18. Из 1,35 г оксида металла получается 3,15 г его нитрата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 32,5 г/моль.

19. Из 1,3 г гидроксида металла получается 2,85 г его сульфата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 9 г/моль.

20. Чему равен при н.у. эквивалентный объем водорода? Вычислите молярную массу эквивалента металла, если на восстановление 1,017 г его оксида израсходовалось 0,28 дм³ водорода (н.у.). Ответ: 32,68 г/моль.

21. В 2,48 г оксида одновалентного металла содержится 1,84 г металла. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида. Чему равна молярная и атомная массы этого металла? Ответ: 23 г/моль.

22. Из 3,31 г нитрата металла получается 2,78 г его хлорида. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла. Ответ: 103,6 г/моль.

23. При окислении 16,74 г двухвалентного металла образовалось 21,54 г оксида. Вычислите молярные массы эквивалентов металла и его оксида. Чему равна молярная и атомная массы металла? Ответ: 55,8 г/моль.

24. При взаимодействии 3,24 г трехвалентного металла с кислотой выделяется 4,03 л водорода (н.у.). Вычислите молярную, атомную массы и молярную массу эквивалента металла. Ответ: 9 г/моль.

25. Исходя из молярной массы углерода и воды, определите абсолютную массу атома углерода и молекулы воды в граммах. Ответ: 2,0 · 10^-23 г; 3,0 · 10^-23 г.

26. На нейтрализацию 9,797 г ортофосфорной кислоты израсходовано 7,998 г NaOH. Вычислите число эквивалентности, молярную массу эквивалента и основность H₃PO₄ в этой реакции. На основании расчета напишите уравнение реакции. Ответ: 0,5 моль; 49 г/моль; 2.

27. На нейтрализацию 0,943 г фосфористой кислоты H₃PO₄ израсходовано 1,291 г КОН. Вычислите число эквивалентности, молярную массу эквивалента и основность кислоты. На основании расчета напишите уравнение реакции. Ответ: 0,5 моль; 41 г/моль; 2.

28. При сгорании 5,00 г металла образуется 9,44 г оксида металла. Определить молярную массу эквивалента металла. Ответ: 9,01 г/моль.

29. Вычислите молярную массу двухвалентного металла и определите, какой это металл, если 8,34 г металла окисляются 0,680 л кислорода (н.у.). Ответ: 137,4; Ва.

30. 1,00 г некоторого металла соединяется с 8,89 г брома и с 1,78 г серы. Найдите молярные массы эквивалентов брома и металла, зная, что молярная масса эквивалента серы равна 16,0 г/моль. Ответ: 79,9 г/моль; 9,0 г/моль.

31. Для растворения 16,8 г металла потребовалось 14,7 г серной кислоты. Определите молярную массу эквивалента металла и объем выделившегося водорода (н.у.). Ответ: 56,0 г/моль; 3,36 л.

32. 1,60 г кальция и 2,61 г цинка вытесняют из кислоты одинаковые количества водорода. Вычислите молярную массу эквивалента цинка, зная, что молярная масса эквивалента кальция равна 20,0 г/моль. Ответ: 32,6 г/моль.

33. На нейтрализацию 2,45 г кислоты идет 2,00 г гидроксида натрия. Определите молярную массу эквивалента кислоты. Ответ: 49,0 г/моль.

34. 0,376 г алюминия при взаимодействии с кислотой вытеснили 0,468 л водорода (н.у.). Определите эквивалентный объем водорода, зная, что молярная масса эквивалента алюминия равна 8,99 г/моль. Ответ: 11,2 л/моль.

Периодический закон

35. Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета- и ортогерманиевой кислот, и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически.

36. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂О₇? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим oксидам и изобразите их графически.

37. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе, составьте фoрмулы водородного соединения германия, оксида молибдена и рениевой кислоты, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически,

38. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

39. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основный характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

40. Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте исходя из строения атомов данных элементов?

41. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).

42. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

43. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

44. У какого из р-элементов пятой группы периодической системы − фосфора или сурьмы − сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

45. Исходя из положения металла в периодической системе Д.И. Менделеева, дайте мотивированный ответ на вопрос, какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ва(ОН)₂ или Mg(ОН)₂; Са(ОН) ₂ или Fе(ОН)₂; Cd(OH)₂ или Sr(OH)₂ и поясните почему?

46. Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос, какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: СuОН или Сu(ОН)₂; Fe(OH)₂ или Fе(ОН)₃; Sn(OH)₂ или Sn(OH)₄? Напишите уравнения реакции, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).

47. Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

48. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и хлор? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням.

49. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

50. Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ.

51. Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементов аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

52. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

53. Почему у элемента VII группы – марганца – преобладают металлические свойства, тогда как стоящие в той же группе галогены являются типичными неметаллами? Дать ответ исходя из строения атомов указанных элементов.

54. Как изменяются валентные возможности и координационные числа элементов главных подгрупп с ростом заряда ядер их атомов? Разобрать на примере элементов VI группы. Написать формулы серной, селеновой и теллуровой кислот.

55. Как изменяется устойчивость высших оксидов и гидроксидов в главных и побочных подгруппах с ростом заряда ядер атомов элемента? Ответ подтвердить примерами.

56. Чем объясняется отличие свойств элементов второго периода от свойств их электронных аналогов в последующих периодах? Ответ мотивировать примерами.

57. Чем отличаются s-электроны, расположенные на различных уровнях? Чем отличаются p-электроны друг от друга и от s-электронов в пределах одного и того же уровня? Приведите примеры.

58. Пользуясь периодической системой элементов, напишите формулы: высших оксидов хрома, марганца, и олова; б) кислот, соответствующих этим оксидам; в) оксида, гидроксида и нитрата стронция.

59. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂О₅? Какой из них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим oксидам и изобразите их графически?

60. В чем проявляется диагональное сходство элементов? Какие причины его вызывают? Сравнить свойства бериллия, магния и алюминия. Привести электронно-графические формулы.

61. Каковы общие закономерности изменения фи­зических и химических свойств простых веществ, об­разуемых элементами главных подгрупп периодической системы элементов: а) в периоде; б) в группе? Ответ мотивировать примерами.

62. Как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства высших оксидов и гидроксидов элементов с ростом заряда их ядер: а) в пределах периода: б) в пределах группы? Ответ мотивировать примерами.

63. Почему изменение свойств элементов в больших периодах от щелочного металла к благородному газу происходит значительно медленнее, чем в малых периодах? Ответ мотивировать примерами.

64. С каким элементом более сходен молибден по свойствам – с селеном или с хромом? Чем это объясняется? Привести электронно-графическую формулу молибдена.

Химическая связь

65. Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеCl₂ и тетраэдрическое СН₄?

⁶⁶. Длина диполя молекулы HF l = 0,4 ∙ 10^-10 м. Электрический момент диполя 1,98D. Чему равен частичный эффективный заряд Н^δ+ и F^δ?

67. Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулы H₂S и линейное молекулы СО₂?

68. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы Не₂ и молекулярного иона Не₂⁺ по методу молекулярных орбиталей (МО). Как метод МО объясняет устойчивость иона Нe₂⁺ и невозможность существования молекулы Не₂?

69. Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н₂О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

70. Могут ли существовать молекулы Li₂ и Ве₂ и каковы кратности их связей? Ответ мотивируйте составлением энергетических диаграмм.

71. Сравнить кратности связей и магнитные свойства молекулы В₂ и молекулярного иона В₂⁺. Составить энергетические диаграммы.

72. Составить энергетическую диаграмму по методу молекулярных орбиталей (МО) частиц NO⁺, NO и NO^- и сравнить их кратность и энергию связей.

73. Сравнить кратность, энергию связей и магнитные свойства частиц СО⁺, СО и СО^-. Составить энергетические диаграммы.

74. Составить энергетическую диаграмму атомных орбиталей (АО) и МО молекулы LiH. Какие орбитали в ней являются связывающими, а какие – разрыхляющими? Рассчитать кратность связи.

75. Энергия диссоциации озона по схеме О₃ = О₂ + О составляет 100 кДж/моль. Вычислить энергию этой связи в электронвольтах на связь. Составить структурную формулу молекулы озона и указать виды связей.

76. Вычислить разность относительных электроотрицательностей следующих пар атомов: Са–Cl, Ga–Cl и С–Cl. Какая из этих связей характеризуется наибольшим процентом ионности?

77. Вычислить разность относительных электроотрицательностей обеих связей в молекуле HOCl и определить, какая из них характеризуется большим процентом ионности. Поясните почему?

78. Определить характер связей в кристаллических структурах твердых веществ: KF, ВаСl₂, серы, йода, карбида кремния. Какими свойствами обладают данные твердые вещества?

79. Определить характер связей в молекулах SCl₄, SiCl₄, ClF₃ и IBr и указать для каждой из них направление смещения электронной плотности связи. Расположить молекулы в ряд в порядке увеличения полярности связи. Какими свойствами обладают данные соединения?

80. Определить характер связей в кристаллах MgS, ZnSe и InSb. В каком случае связь имеет более полярный характер? Какими свойствами обладают данные соединения?

81. Сопоставить разность относительных электроотрицательностей в гидридах щелочных металлов от лития к цезию. Как меняется характер связи и с чем это связано? Привести пример строения гидрида щелочного металла по методу молекулярных орбиталей.

82. Руководствуясь разностью относительных электроотрицательностей связи Э–О, определить, как меняется характер связи в оксидах элементов третьего периода периодической системы Д.И. Менделеева.

⁸³. Длина диполя связи Н–О l = 0,315 ∙ 10^-10 м, электрический момент диполя 1,4 D. Чему равен частичный эффективный заряд Н^δ+ и O^δ-?

84. Укажите механизм образования связей в ионе гидроксония. Какую валентность имеет кислород в этом ионе?

85. Какие связи называют водородными, какова их прочность по сравнению с другими типами связей? При какой температуре разрушаются водородные связи в воде и при какой температуре разрываются связи между атомами водорода и кислорода в воде?

86. Определите валентность криптона и ксенона по методу валентных связей.

87. В какой из молекул – H₂S, H₂Se или Н₂Те – и почему угол между валентными связями больше отклоняется от 90°?

88. Как и почему изменяется величина угла в вершинах пира-мидальных молекул ЭН₃ при переходе от РН₃ к SbH₃?

89. Какова пространственная структура молекул СО₂ и CS₂, моменты электрического диполя которых равны нулю?

90. Можно ли предположить, что молекула SО₂ обладает линейной структурой, учитывая ее полярный характер ( =5,33 10^-30 Кл ∙ м)? Поясните.

91. Какие электроны атома ртути участвуют в возникновении гибридных орбиталей, предшествующем образованию неполярных молекул галогенидов двухвалентной ртути? Назвать тип гибри-дизации.

92. На основании чего можно сделать выбор между плоскостной и пирамидальной моделью при определении пространственной структуры молекул BF₃ и NF₃?

93. Какой тип гибридизации орбиталей атома кремния предшествует образованию молекул SiH₄ и тетрагалогенидов кремния? Какова их пространственная структура?

94. Определить характер связей в пространственных решетках кристаллического кремния и германия, имеющих алмазоподобную структуру. Обладают ли эти тела металлической проводимостью?