Номер 10, страница 221 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

10. Определите химическую формулу удобрения, в котором массовая доля кальция — 23,256 %, фосфора — 18,023 %, кислорода — 55,814 %.

*Проведите заседание дискуссионного клуба «За и против»

1. Экологические проблемы производства минеральных удобрений.

2. Применение минеральных удобрений: плюсы и минусы.

Дано:

Массовая доля кальция, $ \omega(Ca) = 23,256 \% $

Массовая доля фосфора, $ \omega(P) = 18,023 \% $

Массовая доля кислорода, $ \omega(O) = 55,814 \% $

Найти:

Химическую формулу удобрения.

Решение:

1. Проверим, является ли сумма массовых долей всех известных элементов 100%.

$ \sum \omega = \omega(Ca) + \omega(P) + \omega(O) = 23,256\% + 18,023\% + 55,814\% = 97,093\% $

2. Сумма массовых долей меньше 100%. Это означает, что в состав вещества входит еще один или несколько элементов. Фосфорные удобрения часто являются кислыми или кристаллогидратами, поэтому можно предположить наличие водорода (H). Найдем его массовую долю:

$ \omega(H) = 100\% - 97,093\% = 2,907\% $

3. Для определения простейшей химической формулы вещества ($ Ca_x P_y H_z O_w $) найдем соотношение молей атомов элементов. Для этого предположим, что масса образца удобрения составляет 100 г. Тогда массы элементов будут численно равны их массовым долям.

$ m(Ca) = 23,256 $ г

$ m(P) = 18,023 $ г

$ m(H) = 2,907 $ г

$ m(O) = 55,814 $ г

4. Найдем количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя их атомные массы (Ar): $ Ar(Ca) \approx 40 $ г/моль, $ Ar(P) \approx 31 $ г/моль, $ Ar(H) \approx 1 $ г/моль, $ Ar(O) \approx 16 $ г/моль.

$ x:y:z:w = \frac{\omega(Ca)}{Ar(Ca)} : \frac{\omega(P)}{Ar(P)} : \frac{\omega(H)}{Ar(H)} : \frac{\omega(O)}{Ar(O)} $

$ n(Ca) = \frac{23,256 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} \approx 0,581 $ моль

$ n(P) = \frac{18,023 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} \approx 0,581 $ моль

$ n(H) = \frac{2,907 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} \approx 2,907 $ моль

$ n(O) = \frac{55,814 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} \approx 3,488 $ моль

5. Найдем соотношение индексов, разделив количество вещества каждого элемента на наименьшее из полученных значений (0,581):

$ x \text{ (Ca)} = \frac{0,581}{0,581} = 1 $

$ y \text{ (P)} = \frac{0,581}{0,581} = 1 $

$ z \text{ (H)} = \frac{2,907}{0,581} \approx 5 $

$ w \text{ (O)} = \frac{3,488}{0,581} \approx 6 $

Таким образом, простейшая формула вещества — $ Ca_1 P_1 H_5 O_6 $.

6. Данная формула соответствует кристаллогидрату гидрофосфата кальция: $ CaHPO_4 \cdot 2H_2O $. Проверим массовые доли элементов в этом соединении.

Молярная масса $ M(CaHPO_4 \cdot 2H_2O) = 40 + 1 + 31 + 4 \cdot 16 + 2 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 172 $ г/моль.

$ \omega(Ca) = \frac{40}{172} \cdot 100\% \approx 23,26\% $

$ \omega(P) = \frac{31}{172} \cdot 100\% \approx 18,02\% $

$ \omega(H) = \frac{1+4}{172} \cdot 100\% = \frac{5}{172} \cdot 100\% \approx 2,91\% $

$ \omega(O) = \frac{4 \cdot 16 + 2 \cdot 16}{172} \cdot 100\% = \frac{96}{172} \cdot 100\% \approx 55,81\% $

Рассчитанные значения совпадают с данными в условии задачи.

Ответ: химическая формула удобрения — $ CaHPO_4 \cdot 2H_2O $ (дигидрат гидрофосфата кальция).

1. Экологические проблемы производства минеральных удобрений.

Аргументы «За» (указывающие на необходимость производства и меры по снижению вреда):

Обеспечение продовольственной безопасности: производство удобрений необходимо для поддержания высоких урожаев и снабжения продовольствием растущего населения планеты.

Технологическое совершенствование: современные заводы внедряют передовые технологии для очистки выбросов (скрубберы, фильтры), повышают энергоэффективность и снижают количество отходов.

Переработка отходов: ведутся исследования по использованию побочных продуктов, таких как фосфогипс, в строительстве и дорожном хозяйстве, что позволяет превратить отходы в ценный ресурс.

Государственное регулирование: во многих странах действуют строгие экологические нормы, обязывающие производителей минимизировать вредное воздействие на окружающую среду.

Аргументы «Против» (описывающие экологические проблемы):

Истощение природных ресурсов: добыча сырья (фосфоритов, калийных солей, природного газа) является невозобновляемым процессом и приводит к разрушению ландшафтов, эрозии почв и потере биоразнообразия.

Высокое энергопотребление: синтез азотных удобрений (процесс Габера-Боша) требует огромного количества энергии, получаемой в основном за счет сжигания ископаемого топлива, что вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов ($CO_2$).

Загрязнение атмосферы: заводы по производству удобрений являются источниками выбросов оксидов азота и серы ($NO_x, SO_x$), аммиака ($NH_3$) и пыли, которые вызывают кислотные дожди, смог и респираторные заболевания.

Загрязнение водных ресурсов и почвы: сточные воды и отвалы отходов (например, фосфогипс) могут содержать тяжелые металлы (кадмий, уран), фториды и другие токсичные вещества, которые загрязняют почву и грунтовые воды.

2. Применение минеральных удобрений: плюсы и минусы.

Плюсы («За»):

Повышение урожайности: основной плюс — резкое увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур. Удобрения восполняют дефицит ключевых элементов питания (азота, фосфора, калия), обеспечивая продовольственную безопасность.

Улучшение качества продукции: сбалансированное питание растений позволяет повысить содержание белков, витаминов и других ценных веществ в урожае.

Быстрый и предсказуемый эффект: питательные вещества в минеральных удобрениях находятся в легкодоступной для растений форме, что обеспечивает быстрый рост и позволяет точно планировать агротехнические мероприятия.

Восстановление плодородия почв: удобрения позволяют вернуть в почву питательные элементы, вынесенные с урожаем, и поддерживать плодородие при интенсивном земледелии.

Минусы («Против»):

Эвтрофикация водоемов: смыв избытка нитратов и фосфатов с полей в реки и озера вызывает бурное цветение водорослей. Их последующее разложение истощает запасы кислорода в воде, приводя к гибели рыбы и других водных организмов (образование «мертвых зон»).

Деградация почвы: длительное и несбалансированное применение минеральных удобрений может привести к подкислению почвы, снижению содержания органического вещества, гибели полезной микрофлоры и ухудшению структуры почвы.

Выбросы парниковых газов: при внесении азотных удобрений в почву микроорганизмы выделяют закись азота ($N_2O$) — мощный парниковый газ, который в 300 раз активнее $CO_2$.

Загрязнение грунтовых вод: нитраты легко вымываются из почвы и попадают в грунтовые воды, делая их непригодными для питья. Употребление такой воды опасно для здоровья, особенно для младенцев (риск метгемоглобинемии).

Снижение биоразнообразия: изменение химического состава почв и водоемов в результате применения удобрений подавляет многие виды диких растений и животных, приводя к доминированию нескольких устойчивых видов.