Реши задание на изображении
Краткий ответ
- Молекула воды \(\mathrm{H_2O}\) имеет угловое строение; связи \(\mathrm{O-H}\) — ковалентные полярные, угол около \(104{,}5^\circ\). Другие типы связей: ковалентная неполярная, ионная, металлическая, водородная.
- Водородная связь — притяжение атома \(\mathrm{H}\), связанного с \(\mathrm{O,N,F}\), к электронной паре другого электроотрицательного атома. В воде она обусловливает высокие температуры кипения и плавления, теплоёмкость, поверхностное натяжение и аномалию плотности.
- Аномалии воды: высокие \(t_{\text{кип}}\) и \(t_{\text{пл}}\), максимум плотности при \(4^\circ\mathrm{C}\), лёд легче жидкой воды, очень большая теплоёмкость и теплота парообразования. В природе это защищает водоёмы от промерзания и регулирует тепло.
- Растворение — физико-химический процесс: разрушение связей в веществе и гидратация частиц водой. По растворимости вещества делят на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые.
- Гидрофильные вещества взаимодействуют с водой (соли, сахар, кислоты), гидрофобные — не взаимодействуют (жиры, масла, бензин, парафин).
- Вода реагирует с активными металлами, основными и кислотными оксидами, некоторыми неметаллами, участвует в гидролизе, гидратации, фотосинтезе и электролизе.
- Массовая доля \(\mathrm{CuSO_4}\) — 32 %.
- Израсходовано 3 моль \(\mathrm{H_2O}\) (54 г), образовалось 344 г гипса.
Разбор
1. Строение молекулы воды.
Атом кислорода образует с двумя атомами водорода две ковалентные полярные \(\sigma\)-связи. Молекула не линейная, а угловая: угол \(\mathrm{H-O-H}\approx104{,}5^\circ\). Электронная плотность смещена к кислороду, поэтому у кислорода частичный заряд \(\delta-\), у водородов \(\delta+\), и молекула полярна.
Кроме ковалентной полярной, различают ковалентную неполярную, ионную, металлическую и водородную связи.
2. Водородная связь.
Она возникает между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом, и неподелённой электронной парой другого такого атома. В воде: \(\mathrm{O-H\cdots O}\).
Из-за водородных связей вода имеет аномально высокие температуры плавления и кипения, высокую теплоёмкость, большое поверхностное натяжение; лёд имеет меньшую плотность, чем вода.
3. Аномалии физических свойств воды.
- Высокие температуры плавления и кипения по сравнению с другими водородными соединениями.
- Максимальная плотность при \(4^\circ\mathrm{C}\); лёд легче воды.
- Очень высокая удельная теплоёмкость и теплота парообразования.
- Высокое поверхностное натяжение и хорошая растворяющая способность.
Роль в природе: лёд плавает и защищает водоёмы от промерзания; высокая теплоёмкость сглаживает климат и защищает организмы от перегрева; вода — среда для биохимических реакций и переноса веществ.
4. Растворение и растворимость.
Физическая сторона растворения — разрушение кристаллической решётки и распределение частиц; химическая — гидратация, то есть взаимодействие частиц с молекулами воды. Вода полярна, поэтому хорошо растворяет ионные и полярные вещества.
По таблице растворимости различают вещества: растворимые (Р), малорастворимые (М), практически нерастворимые (Н).
5. Гидрофильные и гидрофобные вещества.
Гидрофильные — полярные вещества, которые смачиваются водой, растворяются или набухают: \(\mathrm{NaCl}\), \(\mathrm{CuSO_4}\), сахар, глюкоза, кислоты.
Гидрофобные — неполярные вещества, которые не взаимодействуют с водой и не смачиваются: жиры, растительное масло, бензин, бензол, парафин, полиэтилен.
6. Химические свойства воды.
Примеры основных реакций:
- С активными металлами:
\[ 2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow \] - С основными оксидами:
\[ \mathrm{CaO}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Ca(OH)_2} \] - С кислотными оксидами:
\[ \mathrm{SO_3}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{H_2SO_4} \] - С неметаллами:
\[ \mathrm{Cl_2}+\mathrm{H_2O}\rightleftarrows\mathrm{HCl}+\mathrm{HClO} \] - Гидролиз:
\[ \mathrm{CaC_2}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Ca(OH)_2}+\mathrm{C_2H_2}\uparrow \] - Гидратация:
\[ \mathrm{CuSO_4}+5\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{CuSO_4\cdot5H_2O} \] - Электролиз воды:
\[ 2\mathrm{H_2O}\xrightarrow{\text{эл. ток}}2\mathrm{H_2}\uparrow+\mathrm{O_2}\uparrow \]
В природе эти свойства лежат в основе выветривания горных пород, образования кислот и щелочей, гидролиза в живых организмах, фотосинтеза и круговорота веществ.
7. Расчёт массовой доли.
\[
m(\mathrm{H_2O})=80\text{ мл}\cdot1\text{ г/мл}=80\text{ г}
\]
\[
M(\mathrm{CuSO_4\cdot5H_2O})=250\text{ г/моль},\quad
n=\frac{80}{250}=0{,}32\text{ моль}
\]
\[
m(\mathrm{CuSO_4})=0{,}32\cdot160=51{,}2\text{ г}
\]
Масса раствора:
\[
m(\text{р-ра})=80+80=160\text{ г}
\]
\[
w(\mathrm{CuSO_4})=\frac{51{,}2}{160}=0{,}32=32\%
\]
Ответ: 32 % (с точными атомными массами примерно \(31{,}9\%\)).
8. Превращение алебастра в гипс.
Алебастр — \(\mathrm{CaSO_4\cdot0{,}5H_2O}\), гипс — \(\mathrm{CaSO_4\cdot2H_2O}\).
\[ 2\mathrm{CaSO_4\cdot0{,}5H_2O}+3\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{CaSO_4\cdot2H_2O} \]
\[ M(\mathrm{CaSO_4\cdot0{,}5H_2O})=145\text{ г/моль} \] \[ n(\text{алебастра})=\frac{290}{145}=2\text{ моль} \]
На 2 моль алебастра расходуется 3 моль воды: \[ n(\mathrm{H_2O})=3\text{ моль} \] \[ m(\mathrm{H_2O})=3\cdot18=54\text{ г} \]
Масса гипса: \[ M(\mathrm{CaSO_4\cdot2H_2O})=172\text{ г/моль} \] \[ m(\text{гипса})=2\cdot172=344\text{ г} \]
Проверка по закону сохранения массы: \(290+54=344\) г.
Ответ: 3 моль воды (54 г); 344 г гипса.
