Номер 243, страница 56 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

243. Порция какого галогена — фтора, брома или иода — занимает больший объём при н. у., если их химические количества в порции равны?

Дано:

Галогены: фтор (F₂), бром (Br₂), иод (I₂)

Условия: нормальные условия (н. у.)

Температура: $T = 273,15$ K (0 °C)

Давление: $P = 101,325$ кПа (1 атм)

Химические количества равны: $n(\text{F}_2) = n(\text{Br}_2) = n(\text{I}_2) = n$

Найти:

Сравнить объёмы порций галогенов $V(\text{F}_2)$, $V(\text{Br}_2)$ и $V(\text{I}_2)$.

Решение:

Для того чтобы сравнить объёмы порций веществ при одинаковом химическом количестве, необходимо определить их агрегатное состояние при заданных условиях (н. у.).

1. Агрегатное состояние галогенов при н. у. (0 °C и 1 атм):

- Фтор (F₂): Температура кипения фтора составляет -188,1 °C. Так как 0 °C значительно выше температуры кипения, при нормальных условиях фтор находится в газообразном состоянии.

- Бром (Br₂): Температура плавления брома -7,2 °C, а температура кипения +58,8 °C. Так как 0 °C находится между этими значениями, при нормальных условиях бром является жидкостью.

- Иод (I₂): Температура плавления иода составляет +113,7 °C. Так как 0 °C ниже температуры плавления, при нормальных условиях иод — это твёрдое вещество.

2. Расчёт объёмов:

- Для фтора, который является газом, его объём можно найти, используя следствие из закона Авогадро. Согласно этому следствию, 1 моль любого идеального газа при нормальных условиях занимает объём, равный молярному объёму $V_m \approx 22,4$ л/моль. Таким образом, объём порции фтора равен:

$V(\text{F}_2) = n \cdot V_m \approx n \cdot 22,4$ л

- Для брома (жидкость) и иода (твёрдое вещество), объём рассчитывается через массу ($m$) и плотность ($\rho$): $V = m/\rho$. Масса, в свою очередь, связана с химическим количеством ($n$) и молярной массой ($M$) формулой $m = n \cdot M$.

$V(\text{Br}_2) = \frac{m(\text{Br}_2)}{\rho(\text{Br}_2)} = \frac{n \cdot M(\text{Br}_2)}{\rho(\text{Br}_2)}$

$V(\text{I}_2) = \frac{m(\text{I}_2)}{\rho(\text{I}_2)} = \frac{n \cdot M(\text{I}_2)}{\rho(\text{I}_2)}$

3. Сравнение объёмов:

Ключевое различие заключается в том, что плотность газов в сотни раз меньше плотности жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, при одинаковом химическом количестве (и, соответственно, одинаковом числе молекул) газ будет занимать значительно больший объём, чем жидкость или твёрдое вещество.

Для наглядности сравним молярные объёмы (объёмы 1 моль) всех трёх веществ:

- $V_m(\text{F}_2) \approx 22,4$ л/моль (газ)

- $V_m(\text{Br}_2) = \frac{M(\text{Br}_2)}{\rho(\text{Br}_2)} = \frac{159,8 \text{ г/моль}}{3190 \text{ г/л}} \approx 0,050$ л/моль (жидкость)

- $V_m(\text{I}_2) = \frac{M(\text{I}_2)}{\rho(\text{I}_2)} = \frac{253,8 \text{ г/моль}}{4930 \text{ г/л}} \approx 0,051$ л/моль (твёрдое вещество)

Как видно из расчётов, молярный объём газообразного фтора ($22,4$ л/моль) примерно в 440 раз больше молярных объёмов жидкого брома и твёрдого иода (около $0,05$ л/моль).

Поскольку по условию задачи химические количества $n$ всех галогенов равны, то и соотношение их объёмов будет таким же:

$V(\text{F}_2) \gg V(\text{I}_2) > V(\text{Br}_2)$

Таким образом, порция фтора будет занимать наибольший объём.

Ответ: Наибольший объём при нормальных условиях займёт порция фтора, так как в этих условиях фтор является газом, в то время как бром — жидкость, а иод — твёрдое вещество.