Номер 5, страница 111 - гдз по химии 7 класс учебник Шиманович, Красицкий

5. В трех колбах одинаковой массы и одинакового объема при одних и тех же условиях находятся водород, кислород и воздух. Как, не проводя химических реакций, можно узнать, в какой колбе содержится водород?

Чтобы определить, в какой из колб находится водород, не прибегая к химическим реакциям, следует использовать физический метод, основанный на различии плотностей (а следовательно, и масс) газов при одинаковых условиях.

Дано:

• Три колбы одинаковой массы $m_{колбы}$
• Три колбы одинакового объема $V$
• Газы в колбах: водород ($H_2$), кислород ($O_2$), воздух
• Условия (давление $P$ и температура $T$) во всех колбах одинаковы

Найти:

Способ идентификации колбы с водородом.

Решение:

Основной принцип решения задачи заключается в том, что при одинаковых условиях (объем, давление, температура) масса газа в сосуде прямо пропорциональна его молярной массе. Метод заключается во взвешивании всех трех колб.

1. Согласно уравнению состояния идеального газа (уравнению Менделеева-Клапейрона):

$P \cdot V = n \cdot R \cdot T$

где $P$ – давление, $V$ – объем, $n$ – количество вещества (число молей), $R$ – универсальная газовая постоянная, $T$ – абсолютная температура. Поскольку по условию задачи $P$, $V$ и $T$ одинаковы для всех трех колб, то и количество вещества $n$ для каждого газа будет одинаковым.

2. Масса газа ($m_{газа}$) вычисляется по формуле:

$m_{газа} = n \cdot M$

где $M$ – молярная масса газа. Так как количество вещества $n$ одинаково, масса газа в каждой колбе будет прямо пропорциональна его молярной массе $M$.

3. Сравним молярные массы газов:

• Молярная масса водорода ($H_2$): $M(H_2) \approx 2 \text{ г/моль}$
• Молярная масса кислорода ($O_2$): $M(O_2) \approx 32 \text{ г/моль}$
• Средняя молярная масса воздуха (состоящего примерно на 78% из азота $N_2$ и на 21% из кислорода $O_2$): $M_{воздуха} \approx 29 \text{ г/моль}$

4. Из сравнения молярных масс следует, что водород является самым легким из трех газов:

$M(H_2) < M_{воздуха} < M(O_2)$

Соответственно, при одинаковом количестве молей масса водорода в колбе будет наименьшей:

$m_{H_2} < m_{воздуха} < m_{O_2}$

5. Общая масса каждой системы "колба + газ" ($m_{общая}$) равна сумме массы пустой колбы ($m_{колбы}$) и массы содержащегося в ней газа ($m_{газа}$). Так как массы самих колб одинаковы, то общая масса будет наименьшей у той колбы, которая наполнена самым легким газом — водородом.

$m_{общая}(H_2) < m_{общая}(воздуха) < m_{общая}(O_2)$

Таким образом, для определения колбы с водородом достаточно взвесить все три колбы на точных весах. Взвешивание является физическим измерением и не является химической реакцией.

Ответ:

Нужно взвесить все три колбы. Та колба, которая будет иметь наименьшую массу, содержит водород.