Номер 870, страница 155 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

870. Хлороводород представляет собой достаточно токсичный газ, предельно допустимая массовая концентрация которого в воздухе составляет 5 $мкг/дм^3$. Хлороводород обладает высокой летучестью, и поэтому при хранении соляной кислоты в неплотно закрытых сосудах в лаборатории могут создаваться его опасные для здоровья концентрации.

а) Чему может быть равна максимальная массовая концентрация хлороводорода в классной комнате размером 12 $\times$ 6,0 $\times$ 4,0 м, если в ней разлито на пол 10 $см^3$ соляной кислоты с массовой долей $HCl$, равной 36 % и плотностью 1,18 $г/см^3$?

б) Примем, что объём легких составляет 2,0 $дм^3$. В состоянии покоя школьник в среднем делает один вдох-выдох через каждые 8 с, причём лёгкие вентилируются примерно на 80 % по объёму. Какое число молекул $HCl$ попадёт в лёгкие в течение 3,0 минут нахождения в комнате из пункта а)?

в) Как получают соляную кислоту в промышленности? Как её можно получить в лабораторных условиях? Кратко поясните ответ и приведите уравнения соответствующих реакций.

а) Дано:

Размеры комнаты: $l = 12$ м, $w = 6,0$ м, $h = 4,0$ м

Объем раствора соляной кислоты: $V_{р-ра} = 10 \text{ см}^3$

Массовая доля HCl: $\omega(\text{HCl}) = 36 \% $

Плотность раствора: $\rho_{р-ра} = 1,18 \text{ г/см}^3$

Перевод в СИ:

$V_{р-ра} = 10 \text{ см}^3 = 10 \cdot (10^{-2} \text{ м})^3 = 10^{-5} \text{ м}^3$

$\omega(\text{HCl}) = 0,36$

$\rho_{р-ра} = 1,18 \text{ г/см}^3 = \frac{1,18 \cdot 10^{-3} \text{ кг}}{(10^{-2} \text{ м})^3} = 1180 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Максимальная массовая концентрация хлороводорода в воздухе: $\gamma(\text{HCl}) - ?$

Решение:

1. Найдем объем классной комнаты. Предполагается, что хлороводород равномерно распределится по всему объему комнаты.

$V_{комнаты} = l \cdot w \cdot h = 12 \text{ м} \cdot 6,0 \text{ м} \cdot 4,0 \text{ м} = 288 \text{ м}^3$

2. Рассчитаем массу разлитого раствора соляной кислоты.

$m_{р-ра} = V_{р-ра} \cdot \rho_{р-ра} = 10 \text{ см}^3 \cdot 1,18 \text{ г/см}^3 = 11,8 \text{ г}$

3. Найдем массу чистого хлороводорода (HCl), который может испариться из раствора. Это максимальная масса, так как со временем весь летучий HCl перейдет в газовую фазу.

$m(\text{HCl}) = m_{р-ра} \cdot \omega(\text{HCl}) = 11,8 \text{ г} \cdot 0,36 = 4,248 \text{ г}$

4. Определим максимальную массовую концентрацию хлороводорода в воздухе комнаты. Массовая концентрация ($\gamma$) — это отношение массы растворенного вещества к объему раствора (в данном случае, к объему воздуха).

$\gamma(\text{HCl}) = \frac{m(\text{HCl})}{V_{комнаты}} = \frac{4,248 \text{ г}}{288 \text{ м}^3} \approx 0,01475 \text{ г/м}^3$

5. Переведем полученное значение в единицы, указанные в условии для ПДК (предельно допустимая концентрация), — мкг/дм³. Учтем, что $1 \text{ г} = 10^6 \text{ мкг}$ и $1 \text{ м}^3 = 10^3 \text{ дм}^3$.

$\gamma(\text{HCl}) \approx 0,01475 \frac{\text{г}}{\text{м}^3} = 0,01475 \frac{10^6 \text{ мкг}}{10^3 \text{ дм}^3} = 14,75 \frac{\text{мкг}}{\text{дм}^3}$

С учетом точности исходных данных (2 значащие цифры), округлим результат.

$\gamma(\text{HCl}) \approx 15 \text{ мкг/дм}^3$

Это значение в 3 раза превышает предельно допустимую концентрацию ($5 \text{ мкг/дм}^3$), что подтверждает опасность ситуации.

Ответ: Максимальная массовая концентрация хлороводорода в комнате может быть равна $15 \text{ мкг/см}^3$.

б) Дано:

Объем легких: $V_{легких} = 2,0 \text{ дм}^3$

Время одного цикла вдоха-выдоха: $t_{цикла} = 8 \text{ с}$

Процент вентиляции легких: $80 \%$

Общее время нахождения в комнате: $t_{общее} = 3,0 \text{ мин}$

Концентрация HCl (из пункта а): $\gamma(\text{HCl}) = 14,75 \text{ мкг/дм}^3$

Молярная масса HCl: $M(\text{HCl}) = 36,5 \text{ г/моль}$

Постоянная Авогадро: $N_A = 6,02 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$

Перевод в СИ:

$V_{легких} = 2,0 \text{ дм}^3 = 2,0 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

$t_{общее} = 3,0 \text{ мин} = 3,0 \cdot 60 \text{ с} = 180 \text{ с}$

$\gamma(\text{HCl}) = 14,75 \frac{\text{мкг}}{\text{дм}^3} = 14,75 \frac{10^{-9} \text{ кг}}{10^{-3} \text{ м}^3} = 1,475 \cdot 10^{-5} \text{ кг/м}^3$

$M(\text{HCl}) = 36,5 \text{ г/моль} = 0,0365 \text{ кг/моль}$

Найти:

Число молекул HCl, попавших в легкие: $N(\text{HCl}) - ?$

Решение:

1. Найдем общее количество вдохов за 3,0 минуты.

$n_{вдохов} = \frac{t_{общее}}{t_{цикла}} = \frac{180 \text{ с}}{8 \text{ с}} = 22,5$

2. Рассчитаем объем воздуха, вдыхаемого за один раз. Этот объем составляет 80% от общего объема легких.

$V_{вдоха} = V_{легких} \cdot 0,80 = 2,0 \text{ дм}^3 \cdot 0,80 = 1,6 \text{ дм}^3$

3. Определим общий объем воздуха, прошедшего через легкие за 3,0 минуты.

$V_{общий} = n_{вдохов} \cdot V_{вдоха} = 22,5 \cdot 1,6 \text{ дм}^3 = 36 \text{ дм}^3$

4. Найдем массу хлороводорода, содержащуюся в этом объеме воздуха. Используем точное значение концентрации из пункта а).

$m_{вдох}(\text{HCl}) = \gamma(\text{HCl}) \cdot V_{общий} = 14,75 \frac{\text{мкг}}{\text{дм}^3} \cdot 36 \text{ дм}^3 = 531 \text{ мкг}$

Переведем массу в граммы: $531 \text{ мкг} = 5,31 \cdot 10^{-4} \text{ г}$.

5. Рассчитаем количество вещества (число молей) хлороводорода.

$\nu(\text{HCl}) = \frac{m_{вдох}(\text{HCl})}{M(\text{HCl})} = \frac{5,31 \cdot 10^{-4} \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 1,455 \cdot 10^{-5} \text{ моль}$

6. Найдем число молекул HCl, умножив количество вещества на постоянную Авогадро.

$N(\text{HCl}) = \nu(\text{HCl}) \cdot N_A = 1,455 \cdot 10^{-5} \text{ моль} \cdot 6,02 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 8,76 \cdot 10^{18}$

С учетом точности исходных данных (2 значащие цифры), округлим результат.

$N(\text{HCl}) \approx 8,8 \cdot 10^{18}$

Ответ: В легкие школьника за 3,0 минуты попадет примерно $8,8 \cdot 10^{18}$ молекул HCl.

в) Соляную кислоту (водный раствор хлороводорода) получают как в промышленности, так и в лаборатории, но используют для этого разные методы.

Промышленное получение

Основной промышленный способ — синтез хлороводорода из простых веществ (водорода и хлора) с последующим растворением полученного газа в воде. Хлор и водород являются продуктами электролиза водных растворов хлорида натрия.

1. Синтез хлороводорода: Водород сжигают в атмосфере хлора в специальных печах. Реакция сильно экзотермическая и протекает по цепному механизму, который инициируется светом или нагреванием.

$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{t^\circ, h\nu} 2HCl$

2. Абсорбция водой: Полученный газообразный хлороводород охлаждают и направляют в поглотительные колонны, где он растворяется в воде с образованием соляной кислоты.

Также значительные количества HCl получают как побочный продукт при хлорировании органических соединений (например, метана или бензола).

$CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl$

Лабораторное получение

В лабораторных условиях соляную кислоту (точнее, газообразный хлороводород для ее приготовления) получают действием концентрированной серной кислоты на твердый хлорид натрия (поваренную соль). Этот метод основан на том, что серная кислота является сильной и менее летучей, чем образующаяся соляная, и поэтому вытесняет ее из солей.

Реакция проводится в колбе Вюрца при небольшом нагревании. Выделяющийся газ HCl затем пропускают через воду для получения раствора.

1. При слабом нагревании:

$NaCl_{(тв)} + H_2SO_{4(конц)} \xrightarrow{t^\circ} NaHSO_4 + HCl\uparrow$

2. При сильном нагревании (выше 150 °C):

$2NaCl_{(тв)} + H_2SO_{4(конц)} \xrightarrow{t^\circ > 150^\circ C} Na_2SO_4 + 2HCl\uparrow$

Ответ: В промышленности соляную кислоту получают в основном прямым синтезом из водорода и хлора ($H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$) с последующим растворением HCl в воде. В лаборатории ее получают действием концентрированной серной кислоты на твердый хлорид натрия ($NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl\uparrow$).