Задачи на тему "Агрегатные состояния вещества"

Химия
18.08.2020

(Всего голосов: 0)

1. Какой воздух легче: сухой или влажный?

  Решение

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Состав воздуха: азот – 78%, кислород – 21%, углекислый газ – 1%, пары воды – 1%, прочие газы – 1%.

Таким образом, чтобы из сухого воздуха сделать влажный, надо часть молекул азота N2 или кислорода О2 заменить молекулами воды Н2О.

Обратимся к Периодической системе и рассчитаем молярные массы элементов:

μ (Н2О) = 1 ⋅ 2 + 16 = 18 г/моль

μ (О2) = 16 ⋅ 2 = 32 г/моль

μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль

Видим, что влажный воздух содержит вместо более тяжелых молекул кислорода или азота более легкие молекулы воды, стало быть влажный воздух легче.

 

2. Напишите формулы четырех газов с резким запахом и двух газов, имеющих цвет.

  Решение

Газы с резким запахом: аммиак NH3, оксид азота (IV) NO2 – бурый газ, сероводород Н2S, оксид серы (IV) SO2.

Газы, имеющие цвет: хлор Cl2 (желто-зеленый цвет), оксид хлора (I) Cl2O (желтовато-коричневый цвет).

 

3. Какое простое газообразное вещество легче первого члена гомологического ряда предельных аминов, но тяжелее первого члена гомологического ряда ацетиленовых углеводородов?

  Решение

Гомологический ряд предельных аминов: СН3NH2 – метиламин (первичный амин), (СН3)2NH – диметиламин (вторичный амин), (СН3)3N – триметиламин (третичный амин) и т. д.

Гомологический ряд ацетиленовых углеводородов: С2Н2 – этин, С3Н4 – пропин, С4Н6 – бутин и т. д.

μ (СН3NH2) = 12 + 1 ⋅ 3 + 14 + 1 ⋅ 2 = 31 г/моль

μ (С2Н2) = 12 ⋅ 2 + 1 ⋅ 2 = 26 г/моль

Ответ: это азот, μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль.

 

4. Имеется два сосуда, заполненных смесями газов: а) Н2 и Cl2; б) Н2 и О2. Как изменится давление в сосудах при пропускании через эти смеси электрической искры?

  Решение

а) H2 + Cl2 = 2HCl

Давление не изменится, т. к. число молекул останется прежним.

б) 2Н2 + О2 = 2Н2О

Было 3 молекулы, стало 2. Значит давление уменьшится, т. к. на тот же объем приходится меньшее количество молекул.

 

5. В сосуде объемом 40 л находится 77 г углекислого газа под давлением 106,6 кПа. Найдите температуру газа.

  Решение

Молярная масса углекислого газа:

μ (СО2) = 12 + 16 ⋅ 2 = 44 г/моль

Количество моль:

ν = m / μ = 77 / 44 = 1.75 моль

Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда температура газа:

T = pV / (νR) = 106.6 кПа ⋅ 40 л / (1.75 моль ⋅ 8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1) = 293 К = 20 оС

 

6. Какой объем займут 20 г азота при 0 оС и давлении 202 кПа?

  Решение

T = t + 273 = 0 + 273 = 273 K

Молярная масса азота газа:

μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль

Количество моль:

ν = m / μ = 20 / 28 = 0.714 моль

Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда объем газа:

V = νRT / p = (0.714 моль ⋅ 8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 273 К) / 202 кПа = 8 л

 

7. Плотность некоторого газа по ацетилену 2.23. Чему равна плотность этого газа по водороду?

  Решение

Химическая формула ацетилена – С2Н2, водорода – Н2.

Молярные массы:

μ (С2Н2) = 12 ⋅ 2 + 1 ⋅ 2 = 26 г/моль

μ (Н2) = 1 ⋅ 2 = 2 г/моль

Составляем пропорцию:

μ (?) = 2.23 ⋅ μ (С2Н2)

μ (?) = х ⋅ μ (Н2)

Решаем ее:

х = 2.23 ⋅ μ (С2Н2) / μ (Н2) = 2.23 ⋅ 26 / 2 = 29

 

8. Смешали равные объемы метана, оксида углерода (II) и оксида углерода (IV). Полученную смесь газов объемом 3 л пропустили через водный раствор щелочи в склянке (промывалке). Чему равен объем газа, измеренный при тех же условиях, на выходе из склянки?

  Решение

Из трех газов, лишь оксид углерода (IV) (углекислый газ) будет взаимодействовать с водным раствором щелочи:
СО2 + КОН = КНСО3
Так как газы были взяты в равных объемах, то на выходе из склянки будут выделяться 1 л метана и 1 л угарного газа, т.е. объем 2 л.

 

9. Какой объем занимают при нормальных условиях: а) 5 г кислорода; б) 0.3 моль оксида серы (IV); в) смесь, состоящая из 0.3 моль N2 и 11 г СО2?

  Решение

При нормальных условиях р = 101.3 кПа, Т = 273.15 К.

а) Молярная масса кислорода:

μ (О2) = 16 ⋅ 2 = 32 г/моль

Количество моль:

ν = m / μ = 5 / 32 = 0.156 моль

Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда объем газа:

V = νRT / p = (0.156 моль ⋅ 8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 273.15 К) / 101.3 кПа = 3.5 л

 

б) Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда объем газа:

V = νRT / p = (0.3 моль ⋅ 8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 273.15 К) / 101.3 кПа = 6.7 л

 

в) Молярные массы:

μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль

μ (СО2) = 12 + 16 ⋅ 2 = 44 г/моль

Количество моль углекислого газа:

ν (СО2) = m (СО2) / μ (СО2) = 11 / 44 = 0.25 моль

Общее количество моль:

ν = ν (СО2) + ν (N2) = 0.25 + 0.3 = 0.55 моль

Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда объем газа:

V = νRT / p = (0.55 моль ⋅ 8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 273.15 К) / 101.3 кПа = 12.3 л

 

10. При дегидрировании 30 л пентана выделилось 90 л водорода. Установите молекулярную формулу образовавшегося продукта. Объемы газов измерены при 150 оС и 101 кПа.

  Решение

T = t + 273 = 150 + 273 = 423 K

C5H12 = C5H12-2х + хH2

Уравнение Клапейрона-Менделеева:

pV = νRT

Отсюда количество моль:

ν (C5H12) = pV / (RT) = 101.3 кПа ⋅ 30 л / (8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 423 К) = 0.86 моль

ν (H2) = pV / (RT) = 101.3 кПа ⋅ 90 л / (8.314 Дж ⋅ К-1 ⋅ моль-1 ⋅ 423 К) = 2.59 моль

Массы:

m (C5H12) = ν (C5H12) ⋅ μ (C5H12) = 0.86 (12 ⋅ 5 + 1 ⋅ 12) = 61.92 г

m (H2) = ν (H2) ⋅ μ (H2) = 2.59 ⋅ (1 ⋅ 2) = 5.18 г

Поскольку пентан выделил водород, то количество моль (частиц) C5H12 равно C5H12-2х, т. е. ν (C5H12-2х) = 0.86 моль.

m (C5H12-2х) = ν (C5H12-2х) ⋅ μ (C5H12-2х) = 0.86 ⋅ (12 ⋅ 5 + 1 ⋅ (12 – 2x)) = 0.86 ⋅ (72 – 2x) г

С другой стороны, m (C5H12-2х) = 61.92 г – 5.18 г = 56.74 г

Получаем уравнение:

0.86 ⋅ (72 – 2x) = 56.74

Отсюда х = 3

Искомая молекулярная формула C5H6!

 

11. При каком молярном соотношении оксидов углерода получается смесь, которая в 2 раза тяжелее неона?

  Решение

Молярные массы:

μ (Nе) = 20 г/моль

μ (СО2) = 12 + 16 ⋅ 2 = 44 г/моль

μ (СО) = 12 + 16 = 28 г/моль

Для смеси газов:

μ = mобщ / νобщ = [ν (СО2) ⋅ μ (СО2) + ν (СО) ⋅ μ (СО)] / [ν (СО2) + ν (СО)] = 2μ (Nе)

Получаем:

[44 ν (СО2) + 28ν (СО)] / [ν (СО2) + ν (СО)] = 40

44 ν (СО2) + 28 ν (СО) = 40 ν (СО2) + 40 ν (СО)

4 ν (СО2) = 12 ν (СО)

Ответ: ν (СО2) : ν (СО) = 3 : 1.

 

12. Вычислите среднюю молярную массу смеси, состоящей из 30% (по объему) сероводорода и 70% азота.

  Решение

Для смеси газов:

μ = mобщ / νобщ = [ν (H2S) ⋅ μ (H2S) + ν (N2) ⋅ μ (N2)] / [ν (H2S) + ν (N2)]

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

Поэтому:

μ = mобщ / νобщ = [V (H2S) ⋅ μ (H2S) + V (N2) ⋅ μ (N2)] / [V (H2S) + V (N2)]

Молярные массы:

μ (H2S) = 1 ⋅ 2 + 32 = 34 г/моль

μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль

Подставляем значения:

μ = [0.3 ⋅ 34 + 0.7 ⋅ 28] / [0.3 + 0.7] = 29.8 г/моль

 

13. Найдите плотность по водороду генераторного газа, имеющего следующий объемный состав: 25% СО, 70% N2, 5% CO2.

  Решение

Молярные массы:

μ (СО2) = 12 + 16 ⋅ 2 = 44 г/моль

μ (СО) = 12 + 16 = 28 г/моль

μ (N2) = 14 ⋅ 2 = 28 г/моль

μ (H2) = 1 ⋅ 2 = 2 г/моль

Для смеси газов:

μ = mобщ / νобщ = [ν (СО2) ⋅ μ (СО2) + ν (СО) ⋅ μ (СО) + ν (N2) ⋅ μ (N2)] / [ν (СО2) + ν (СО) + ν (N2)]

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

Поэтому:

μ = mобщ / νобщ = [V (СО2) ⋅ μ (СО2) + V (СО) ⋅ μ (СО) + V (N2) ⋅ μ (N2)] / [V (СО2) + V (СО) + V (N2)]

Подставляем значения:

μ = [0.05 ⋅ 44 + 0.25 ⋅ 28 + 0.7 ⋅ 28] / [0.05 + 0.25 + 0.7] = 28.8 г/моль

Плотность по водороду:

DH2 = μ / μ (H2) = 28.8 / 2 = 14.4

 

14. При добавлении какого газа к смеси равных объемов ацетилена и бутина-2 плотность новой смеси по воздуху не изменится? Ответ подтвердите расчетами.

  Решение

Молярные массы:

μ (С2Н2) = 12 ⋅ 2 + 1 ⋅ 2 = 26 г/моль

μ (С4Н6) = 12 ⋅ 4 + 1 ⋅ 6 = 54 г/моль

Средняя молярная масса:

μ = mобщ / νобщ = [V (С2Н2) ⋅ μ (С2Н2) + V (С4Н6) ⋅ μ (С4Н6)] / [V (С2Н2) + V (С4Н6)]

μ = [0.5 ⋅ 26 + 0.5 ⋅ 54] / [0.5 + 0.5] = 40 г/моль

При добавлении еще одного газа с молярной массой «у» получим:

μ = [x ⋅ 26 + x ⋅ 54 + (1-2x)y] / [x + x + (1 - 2x)]

Поскольку плотность по воздуху та же, то и средние молярные массы равны:

x ⋅ 26 + x ⋅ 54 + (1-2x)y = 40

Отсюда:

y = [40 – 80x] / (1 – 2x) = 40 г/моль

Такую молярную массу имеет аргон (Ar) или пропин (С3Н4).

 

15. Вычислите объем фтороводорода, который надо добавить к 3.36 л криптона, чтобы средняя молярная масса полученной газовой смеси составила 60 г/моль.

  Решение

Молярные массы:

μ (НF) = 1 + 19 = 20 г/моль

μ (Kr) = 83.8 г/моль

Средняя молярная масса:

μ = mобщ / νобщ = [V (НF) ⋅ μ (НF) + V (Kr) ⋅ μ (Kr)] / [V (НF) + V (Kr)]

Подставляем значения:

[х ⋅ 20 + 3.36 ⋅ 83.8] / [х + 3.36] = 60

20х + 281.57 = 60х + 201.6

х = 2

Ответ: 2 л

 

16. Чему равна относительная плотность по неону: а) аргона; б) газа, плотность которого при нормальных условиях равна 1.429 г/л, в) смеси NH3 и СН4, в которой на 1 атом углерода приходится 6 атомов водорода?

  Решение

а) Молярные массы аргона и неона:

μ (Ar) = 40 г/моль

μ (Ne) = 20 г/моль

Плотность по неону:

DNe = μ (Ar) / μ (Ne) = 40 / 20 = 2

 

б) Молярный объем газов при нормальных условиях

Vm = 22.4 л/моль

Значит молярная масса неизвестного газа

μ (?) = 22.4 л/моль ⋅ 1.429 г/л = 32 г/моль

Плотность по неону:

DNe = μ (?) / μ (Ne) = 32 / 20 = 1.6

 

в) Молярные массы:

μ (NН3) = 14 + 1 ⋅ 3 = 17 г/моль

μ (СН4) = 12 + 1 ⋅ 4 = 16 г/моль

Из условия знаем, что на каждый атом углерода приходится 6 атомов водорода, из которых 4 атома принадлежат молекуле СН4. Таким образом, соотношение количеств моль:

ν (С) : ν (Н4) : ν (Н3) : ν (N) = 1 : 4 : 2 : (2/3) = 3 : 12 : 6 : 2

Получаем отношение чисел молекул, а значит и объемов:

V (NН3) : V (СН4) = 2 : 3 = 40 : 60 (в процентах)

Средняя молярная масса:

μ = mобщ / νобщ = [V (NН3) ⋅ μ (NН3) + V (СН4) ⋅ μ (СН4)] / [V (NН3) + V (СН4)]

Подставляем значения:

μ = [0.4 ⋅ 17 + 0.6 ⋅ 16] / [0.4 + 0.6] = 16.4 г/моль

Плотность по неону:

DNe = μ / μ (Ne) = 16.4 / 20 = 0.82

 

 


Оставить комментарий