Номер 48, страница 15 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

48. Сернистый газ $SO_2$ какого объёма (н. у.) следует добавить к метану $CH_4$ массой 37,0 кг, чтобы в полученной смеси газов химическое количество атомов водорода в 15 раз превышало химическое количество атомов кислорода? Составьте электронные формулы молекул $SO_2$ и $CH_4$. Каким типом химической связи соединены атомы в их молекулах?

Определение объема сернистого газа SO₂

Дано:

Масса метана, $m(CH_4) = 37,0 \text{ кг}$

Отношение количеств атомов, $\frac{n(H)}{n(O)} = 15$

Условия: нормальные (н. у.)

Масса в системе СИ (граммы):

$m(CH_4) = 37,0 \text{ кг} = 37000 \text{ г}$

Найти:

$V(SO_2)$ — ?

Решение:

1. Вычислим молярную массу метана ($CH_4$). Атомные массы: $Ar(C) = 12 \text{ а.е.м.}$, $Ar(H) = 1 \text{ а.е.м.}$

$M(CH_4) = 12 + 4 \cdot 1 = 16 \text{ г/моль}$

2. Найдем химическое количество (число моль) метана в смеси.

$n(CH_4) = \frac{m(CH_4)}{M(CH_4)} = \frac{37000 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 2312,5 \text{ моль}$

3. Определим химическое количество атомов водорода ($H$) в смеси. Атомы водорода содержатся только в молекулах метана. Каждая молекула $CH_4$ содержит 4 атома водорода.

$n(H) = 4 \cdot n(CH_4) = 4 \cdot 2312,5 \text{ моль} = 9250 \text{ моль}$

4. Используя условие задачи, найдем химическое количество атомов кислорода ($O$).

$n(H) = 15 \cdot n(O)$

$n(O) = \frac{n(H)}{15} = \frac{9250 \text{ моль}}{15} \approx 616,67 \text{ моль}$

5. Определим химическое количество сернистого газа ($SO_2$). Атомы кислорода содержатся только в молекулах $SO_2$. Каждая молекула $SO_2$ содержит 2 атома кислорода.

$n(SO_2) = \frac{n(O)}{2} = \frac{616,67 \text{ моль}}{2} \approx 308,33 \text{ моль}$

Для точности используем дробь: $n(SO_2) = \frac{9250}{15 \cdot 2} = \frac{925}{3} \text{ моль}$.

6. Найдем объем сернистого газа при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем идеального газа при н.у. составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

$V(SO_2) = n(SO_2) \cdot V_m = \frac{925}{3} \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} \approx 6906,7 \text{ л}$

7. Округлим результат до трех значащих цифр, в соответствии с данными в условии (37,0 кг).

$V(SO_2) \approx 6910 \text{ л}$ или $6,91 \text{ м}^3$.

Ответ: для выполнения условия задачи необходимо добавить сернистый газ $SO_2$ объемом $6910 \text{ л}$ (или $6,91 \text{ м}^3$) при нормальных условиях.

Электронные формулы молекул SO₂ и CH₄

Электронные формулы (формулы Льюиса) показывают распределение валентных электронов в молекуле.

Молекула метана ($CH_4$):

Атом углерода (C), имеющий 4 валентных электрона ($2s^22p^2$), образует четыре одинарные ковалентные связи с четырьмя атомами водорода (H), у каждого из которых по одному валентному электрону ($1s^1$). В результате атом углерода окружен восемью электронами (завершенный октет), а каждый атом водорода — двумя электронами (завершенный дуплет). Все электронные пары являются связывающими.

Молекула сернистого газа ($SO_2$):

Атом серы (S) имеет 6 валентных электронов ($3s^23p^4$), как и каждый из двух атомов кислорода (O) ($2s^22p^4$). Общее число валентных электронов в молекуле равно $6 + 2 \cdot 6 = 18$. Атом серы является центральным. Для описания связей в $SO_2$ используют концепцию резонанса. Молекула является резонансным гибридом двух структур, в каждой из которых одна связь S–O двойная, а другая — одинарная. На центральном атоме серы также находится одна неподеленная электронная пара, что обуславливает угловую форму молекулы.

Ответ: электронная формула $CH_4$ представляет собой атом углерода, соединенный с четырьмя атомами водорода четырьмя общими электронными парами. Электронная формула $SO_2$ описывается резонансом структур, где атом серы связан с двумя атомами кислорода и имеет одну неподеленную электронную пару.

Тип химической связи в молекулах

Тип химической связи определяется разностью электроотрицательностей (ЭО) связываемых атомов.

В молекуле метана ($CH_4$):

Связь образуется между атомами неметаллов — углерода (ЭО ≈ 2,55) и водорода (ЭО ≈ 2,20). Разность электроотрицательностей $\Delta \text{ЭО} = 2,55 - 2,20 = 0,35$. Так как $\Delta \text{ЭО} \neq 0$, электронная пара смещена к более электроотрицательному атому углерода. Такая связь называется ковалентной полярной.

В молекуле сернистого газа ($SO_2$):

Связь образуется между атомами неметаллов — серы (ЭО ≈ 2,58) и кислорода (ЭО ≈ 3,44). Разность электроотрицательностей $\Delta \text{ЭО} = 3,44 - 2,58 = 0,86$. Связь также является ковалентной полярной, поскольку общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому кислорода.

Ответ: и в молекуле $CH_4$, и в молекуле $SO_2$ атомы соединены ковалентной полярной связью.