Комплексное задание, страница 86 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

Комплексное задание

Внимательно прочитайте текст и выполните приведенные ниже задания

С точки зрения химии, водород обладает уникальной особенностью — его относят сразу к двум группам периодической системы Д. И. Менделеева: к щелочным металлам и галогенам. Как щелочной металл водород проявляет сильные восстановительные свойства, например реагирует с фтором при обычных условиях, с хлором — под действием света, с другими неметаллами — при нагревании или в присутствии катализаторов. При взаимодействии с оксидами и галогенидами металлов восстанавливает их до металлов; это свойство используется в металлургии. Но, с другой стороны, водород, как и галогены, проявляет окислительные свойства и при взаимодействии с металлами образует гидриды.

1. На основании электронного строения атома водорода объясните его двоякое положение в периодической системе химических элементов.

2. Запишите возможные уравнения реакций водорода с: а) фтором $F_2$; б) хлором $Cl_2$; в) оксидом меди(II) $CuO$; г) металлическим литием. В каждой реакции укажите окислитель и восстановитель.

3. Рассчитайте, в каком случае масса образующейся воды будет больше: при восстановлении водородом меди из оксида меди(I) массой 100 г или из оксида меди(II) массой 100 г. Определите химическое количество и объем (н. у.) водорода, который вступит в реакцию в каждом случае.

4. Найдите в Интернете и посмотрите видео получения водорода в лаборатории. Как вы думаете, можно ли в этой реакции использовать другой металл вместо цинка?

5. Запишите уравнение реакции водорода с кислородом. Какое вещество при этом образуется? Приведите возможные названия этого вещества. Где используется водород в качестве топлива? Какие ограничения существуют для использования водорода в качестве топлива в автомобилях? Обсудите в группе, какие пути преодоления этих ограничений можно предложить.

6. Подготовьте эссе на тему «Автомобиль будущего».

1. На основании электронного строения атома водорода объясните его двоякое положение в периодической системе химических элементов.

Двоякое положение водорода в периодической системе объясняется его уникальным электронным строением. Атом водорода имеет один протон и один электрон, его электронная конфигурация — $1s^1$.

С одной стороны, водород имеет один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне, как и щелочные металлы (I группа, главная подгруппа), у которых конфигурация внешнего уровня $ns^1$. Подобно им, водород может отдавать свой единственный электрон, превращаясь в положительно заряженный ион (протон) $H^+$ и проявляя степень окисления +1. В этом случае он выступает в роли восстановителя.

С другой стороны, до завершения внешнего электронного уровня (который для водорода является первым и вмещает 2 электрона) ему не хватает одного электрона. Этим он похож на галогены (VII группа, главная подгруппа), у которых до завершения внешнего уровня также не хватает одного электрона (конфигурация $ns^2np^5$). Подобно галогенам, водород может принять один электрон, превращаясь в отрицательно заряженный гидрид-ион $H^-$ и проявляя степень окисления -1. В этом случае он выступает в роли окислителя.

Таким образом, способность атома водорода как отдавать, так и принимать один электрон для достижения устойчивой электронной конфигурации и обуславливает его сходство и со щелочными металлами, и с галогенами.

Ответ: Электронная конфигурация водорода $1s^1$. Он может, подобно щелочным металлам, отдать один электрон (проявляя свойства восстановителя, с.о. +1), а может, подобно галогенам, принять один электрон до завершения оболочки (проявляя свойства окислителя, с.о. -1), что и объясняет его двойственное положение.

2. Запишите возможные уравнения реакций водорода с: а) фтором F₂; б) хлором Cl₂; в) оксидом меди(II) CuO; г) металлическим литием. В каждой реакции укажите окислитель и восстановитель.

а) Взаимодействие с фтором:
$H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$
$H_2^0$ — восстановитель (окисляется до $H^{+1}$), $F_2^0$ — окислитель (восстанавливается до $F^{-1}$).

б) Взаимодействие с хлором (требуется свет или нагревание):
$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
$H_2^0$ — восстановитель (окисляется до $H^{+1}$), $Cl_2^0$ — окислитель (восстанавливается до $Cl^{-1}$).

в) Взаимодействие с оксидом меди(II) (требуется нагревание):
$H_2 + CuO \xrightarrow{t} Cu + H_2O$
$H_2^0$ — восстановитель (окисляется до $H^{+1}$), $Cu^{+2}$ (в составе $CuO$) — окислитель (восстанавливается до $Cu^0$).

г) Взаимодействие с литием (требуется нагревание):
$H_2 + 2Li \xrightarrow{t} 2LiH$
$H_2^0$ — окислитель (восстанавливается до $H^{-1}$), $Li^0$ — восстановитель (окисляется до $Li^{+1}$).

Ответ:
а) $H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$; $H_2$ - восстановитель, $F_2$ - окислитель.
б) $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$; $H_2$ - восстановитель, $Cl_2$ - окислитель.
в) $H_2 + CuO \rightarrow Cu + H_2O$; $H_2$ - восстановитель, $CuO$ - окислитель.
г) $H_2 + 2Li \rightarrow 2LiH$; $H_2$ - окислитель, $Li$ - восстановитель.

3. Рассчитайте, в каком случае масса образующейся воды будет больше: при восстановлении водородом меди из оксида меди(I) массой 100 г или из оксида меди(II) массой 100 г. Определите химическое количество и объем (н. у.) водорода, который вступит в реакцию в каждом случае.

Дано:

$m(Cu_2O) = 100 \text{ г}$
$m(CuO) = 100 \text{ г}$
Условия нормальные (н. у.)

Найти:

1) Сравнить $m_1(H_2O)$ (из $Cu_2O$) и $m_2(H_2O)$ (из $CuO$).
2) $n_1(H_2)$, $V_1(H_2)$ (для реакции с $Cu_2O$).
3) $n_2(H_2)$, $V_2(H_2)$ (для реакции с $CuO$).

Решение:

Рассчитаем молярные массы:
$M(Cu_2O) = 2 \cdot 63.5 + 16 = 143 \text{ г/моль}$
$M(CuO) = 63.5 + 16 = 79.5 \text{ г/моль}$
$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$
$V_m = 22.4 \text{ л/моль}$ (молярный объем газа при н. у.)

Случай 1: Восстановление из оксида меди(I) ($Cu_2O$)
Уравнение реакции: $Cu_2O + H_2 \xrightarrow{t} 2Cu + H_2O$
1) Найдем количество вещества оксида меди(I):
$n(Cu_2O) = \frac{m(Cu_2O)}{M(Cu_2O)} = \frac{100 \text{ г}}{143 \text{ г/моль}} \approx 0.699 \text{ моль}$
2) По уравнению реакции, соотношение количеств веществ $n(Cu_2O) : n(H_2) : n(H_2O) = 1 : 1 : 1$.
Следовательно, $n_1(H_2) = n_1(H_2O) = n(Cu_2O) \approx 0.699 \text{ моль}$.
3) Найдем массу образовавшейся воды:
$m_1(H_2O) = n_1(H_2O) \cdot M(H_2O) = 0.699 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} \approx 12.58 \text{ г}$
4) Найдем объем водорода, вступившего в реакцию:
$V_1(H_2) = n_1(H_2) \cdot V_m = 0.699 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} \approx 15.66 \text{ л}$

Случай 2: Восстановление из оксида меди(II) ($CuO$)
Уравнение реакции: $CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$
1) Найдем количество вещества оксида меди(II):
$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{100 \text{ г}}{79.5 \text{ г/моль}} \approx 1.258 \text{ моль}$
2) По уравнению реакции, соотношение количеств веществ $n(CuO) : n(H_2) : n(H_2O) = 1 : 1 : 1$.
Следовательно, $n_2(H_2) = n_2(H_2O) = n(CuO) \approx 1.258 \text{ моль}$.
3) Найдем массу образовавшейся воды:
$m_2(H_2O) = n_2(H_2O) \cdot M(H_2O) = 1.258 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} \approx 22.64 \text{ г}$
4) Найдем объем водорода, вступившего в реакцию:
$V_2(H_2) = n_2(H_2) \cdot V_m = 1.258 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} \approx 28.18 \text{ л}$

Сравним массы образовавшейся воды: $22.64 \text{ г} > 12.58 \text{ г}$. Масса воды будет больше в случае восстановления из оксида меди(II).

Ответ: Масса образующейся воды будет больше при восстановлении меди из оксида меди(II) ($22.64$ г) по сравнению с оксидом меди(I) ($12.58$ г).
В случае с $Cu_2O$ потребуется $n(H_2) \approx 0.699$ моль, $V(H_2) \approx 15.66$ л.
В случае с $CuO$ потребуется $n(H_2) \approx 1.258$ моль, $V(H_2) \approx 28.18$ л.

4. Найдите в Интернете и посмотрите видео получения водорода в лаборатории. Как вы думаете, можно ли в этой реакции использовать другой металл вместо цинка?

В лаборатории водород чаще всего получают взаимодействием цинка с разбавленной соляной или серной кислотой (например, в аппарате Киппа). Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$.

Вместо цинка можно использовать другие металлы, но они должны удовлетворять определенному условию: в ряду электрохимической активности металлов они должны стоять левее (до) водорода. Это означает, что они более активны, чем водород, и способны вытеснять его из растворов кислот (неокислителей).

Примеры подходящих металлов: железо ($Fe$), магний ($Mg$), алюминий ($Al$).
Например, реакция с железом: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$.

Примеры неподходящих металлов: медь ($Cu$), серебро ($Ag$), золото ($Au$), так как они стоят в ряду активности правее водорода.

Следует отметить, что очень активные металлы, такие как щелочные (натрий, калий) или щелочноземельные (кальций), обычно не используют для этой цели в лаборатории, так как их реакция с кислотами протекает слишком бурно, взрывоопасно и неконтролируемо.

Ответ: Да, можно. Вместо цинка можно использовать любой металл, стоящий в ряду активности до водорода, например, железо, магний или алюминий. Нельзя использовать металлы, стоящие правее водорода (медь, серебро, золото).

5. Запишите уравнение реакции водорода с кислородом. Какое вещество при этом образуется? Приведите возможные названия этого вещества. Где используется водород в качестве топлива? Какие ограничения существуют для использования водорода в качестве топлива в автомобилях? Обсудите в группе, какие пути преодоления этих ограничений можно предложить.

Уравнение реакции горения водорода в кислороде:
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

При этом образуется вода. Возможные названия: вода, оксид водорода, дигидрогена монооксид.

Использование водорода в качестве топлива:
Водород используется как ракетное топливо (в паре с жидким кислородом), в топливных элементах для производства электроэнергии (например, на космических кораблях и в водородных автомобилях), а также ведутся разработки по его использованию в двигателях внутреннего сгорания.

Ограничения для использования в автомобилях:

1. Производство: В настоящее время основной метод получения водорода — паровая конверсия метана, при которой выделяется $CO_2$. Экологически чистое производство путем электролиза воды требует огромных затрат электроэнергии и пока является дорогостоящим.
2. Хранение: Хранить водород на борту автомобиля сложно. В виде сжатого газа он требует тяжелых и громоздких баллонов высокого давления. В виде жидкости он требует поддержания криогенных температур (–253 °C), что энергозатратно и приводит к потерям из-за испарения. Хранение в твердом виде (в металлогидридах) пока неэффективно из-за большого веса систем и сложностей с быстрым высвобождением водорода.
3. Инфраструктура: Отсутствует развитая сеть водородных заправочных станций, что ограничивает дальность поездок.
4. Безопасность: Водород очень летуч и горюч в широком диапазоне концентраций в воздухе. Хотя современные баки для хранения очень прочны, существует проблема общественного восприятия водорода как опасного топлива.

Пути преодоления ограничений:

1. Производство: Развитие возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой) для удешевления "зеленого" водорода, получаемого электролизом. Поиск новых, более эффективных катализаторов для расщепления воды.
2. Хранение: Разработка новых материалов для хранения, например, композитных материалов для баллонов, пористых материалов (металл-органические каркасы) или систем на основе химически связанного водорода (например, аммиака).
3. Инфраструктура: Государственные и частные инвестиции в строительство сети заправочных станций. Возможно, перепрофилирование части существующей газовой инфраструктуры.
4. Безопасность: Разработка единых международных стандартов безопасности для водородных систем и просветительская работа с населением для повышения доверия к технологии.

Ответ: Уравнение: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Образуется вода (оксид водорода). Водород используется как ракетное топливо и в топливных элементах. Основные ограничения для автомобилей: дорогое и неэкологичное производство, сложность хранения, отсутствие инфраструктуры и проблемы с безопасностью. Пути решения: развитие "зеленой" энергетики для производства H₂, создание новых материалов для его хранения, государственная поддержка создания заправочной сети.

6. Подготовьте эссе на тему «Автомобиль будущего».

Эпоха доминирования автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, служивших человечеству более века, подходит к концу. На смену им идет «автомобиль будущего» — транспорт, который будет не просто средством передвижения, а сложной системой, основанной на принципах экологичности, интеллектуальности и безопасности.

Главным вектором развития является переход на экологически чистые источники энергии. Сегодня основная борьба разворачивается между двумя технологиями: аккумуляторными электромобилями (BEV) и водородными автомобилями на топливных элементах (FCEV). Электромобили уже стали частью нашей жизни благодаря своей высокой энергоэффективности и простоте конструкции. Однако проблемы долгой зарядки, ограниченного запаса хода и экологической нагрузки от производства и утилизации батарей остаются актуальными. Водородные автомобили предлагают решение этих проблем: быстрая заправка, сопоставимый с бензиновыми аналогами запас хода и нулевые выбросы (только водяной пар). Но их широкому распространению мешают высокая стоимость, сложности с хранением водорода на борту и практически полное отсутствие заправочной инфраструктуры. Вероятно, в будущем эти технологии будут не конкурировать, а дополнять друг друга: электромобили станут идеальным выбором для города, а водородный транспорт займет нишу магистральных перевозок и тяжелой техники.

Второй неотъемлемой чертой автомобиля будущего станет его «ум». Развитие систем искусственного интеллекта, датчиков и сетей 5G приведет к появлению полностью автономного транспорта. Автопилот избавит человека от рутины вождения, превратив время в пути в возможность для работы или отдыха. Это кардинально повысит безопасность на дорогах, ведь подавляющее большинство аварий происходит из-за человеческого фактора. Автомобили смогут общаться друг с другом и с дорожной инфраструктурой, оптимизируя трафик, избегая пробок и экономя энергию. Безусловно, на пути к полной автономии предстоит решить множество технологических, юридических и этических вопросов, но движение в этом направлении неостановимо.

Таким образом, автомобиль будущего — это синергия «зеленой» энергетики и высоких технологий. Он перестанет быть просто личным транспортом, превратившись в подключенный к глобальной сети, безопасный и экологичный гаджет на колесах, который изменит не только наши дороги, но и сам облик городов и образ жизни. Переходный период будет сложным, но его цель — создание устойчивой и гармоничной транспортной системы для будущих поколений — того стоит.

Ответ: Эссе представлено выше.