Номер 644, страница 112 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

644. Неизвестное вещество имеет относительную молекулярную массу 17 и состоит из атомов азота и водорода. При его взаимодействии с метаном $CH_4$ образуется синильная кислота и газ с относительной молекулярной массой, равной 2. Массовые доли водорода, углерода и азота в составе синильной кислоты соответственно равны 3,45 %, 41,38 % и 48,27 %. Установите химические формулы всех неизвестных веществ и составьте уравнение химической реакции. Является ли эта реакция окислительно-восстановительной?

Дано:

Относительная молекулярная масса неизвестного вещества 1: $M_r(\text{вещество 1}) = 17$
Элементный состав вещества 1: Азот (N), Водород (H)
Реагенты: вещество 1, метан ($CH_4$)
Продукты: синильная кислота (вещество 2), газ (вещество 3)
Относительная молекулярная масса газа (вещество 3): $M_r(\text{вещество 3}) = 2$
Массовые доли элементов в синильной кислоте: $\omega(H) = 3,45 \, \%$, $\omega(C) = 41,38 \, \%$, $\omega(N) = 48,27 \, \%$

Найти:

Химические формулы всех неизвестных веществ.
Уравнение химической реакции.
Является ли эта реакция окислительно-восстановительной?

Решение:

1. Установление формулы первого неизвестного вещества (вещество 1)

Пусть формула вещества — $N_xH_y$. Относительные атомные массы азота и водорода равны $Ar(N) \approx 14$ и $Ar(H) \approx 1$. Тогда относительная молекулярная масса вещества равна: $M_r(N_xH_y) = x \cdot Ar(N) + y \cdot Ar(H) = 14x + y$ По условию, $14x + y = 17$. Поскольку x и y — целые положительные числа (индексы в формуле), подберем их значения. Если $x=1$, то $14 \cdot 1 + y = 17$, откуда $y = 3$. Если $x \ge 2$, то $14x \ge 28$, что больше 17, и уравнение не имеет решений в целых положительных числах для y. Следовательно, формула неизвестного вещества — $NH_3$ (аммиак).

Ответ: Химическая формула первого неизвестного вещества — $NH_3$.

2. Установление формулы газообразного продукта (вещество 3)

Относительная молекулярная масса неизвестного газа равна 2. Единственным газом, состоящим из атомов, участвующих в реакции (C, H, N), и имеющим такую молекулярную массу, является водород. $M_r(H_2) = 2 \cdot Ar(H) = 2 \cdot 1 = 2$. Следовательно, неизвестный газ — это водород $H_2$.

Ответ: Химическая формула газообразного продукта — $H_2$.

3. Установление формулы синильной кислоты (вещество 2)

Для установления простейшей формулы синильной кислоты найдем соотношение молей атомов водорода, углерода и азота, исходя из их массовых долей. Примем массу образца синильной кислоты за 100 г. Тогда массы элементов в образце равны: $m(H) = 3,45$ г, $m(C) = 41,38$ г, $m(N) = 48,27$ г. Найдем количество вещества (в молях) каждого элемента: $n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{3,45 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 3,45 \text{ моль}$ $n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{41,38 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 3,45 \text{ моль}$ $n(N) = \frac{m(N)}{M(N)} = \frac{48,27 \text{ г}}{14 \text{ г/моль}} \approx 3,45 \text{ моль}$ Соотношение количеств веществ атомов в молекуле: $x : y : z = n(H) : n(C) : n(N) \approx 3,45 : 3,45 : 3,45 = 1 : 1 : 1$ Таким образом, простейшая формула вещества — $HCN$. Это и есть формула синильной (циановодородной) кислоты.

Ответ: Химическая формула синильной кислоты — $HCN$.

4. Составление уравнения химической реакции

Теперь, зная формулы всех реагентов и продуктов, составим схему реакции: $NH_3 + CH_4 \rightarrow HCN + H_2$ Уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения. Атомы N и C уже сбалансированы (по 1 атому). Слева атомов H: $3+4=7$. Справа атомов H: $1+2=3$. Чтобы уравнять водород, нужно, чтобы в правой части было 7 атомов. В молекуле $HCN$ уже есть 1 атом, значит в молекулах $H_2$ должно быть $7-1=6$ атомов. Для этого необходимо взять 3 молекулы $H_2$. $NH_3 + CH_4 \rightarrow HCN + 3H_2$ Проверяем: N: 1=1; C: 1=1; H: 3+4 = 1+3*2 => 7=7. Уравнение составлено верно.

Ответ: Уравнение химической реакции: $NH_3 + CH_4 \rightarrow HCN + 3H_2$.

5. Определение, является ли реакция окислительно-восстановительной (ОВР)

Для этого определим степени окисления атомов в реагентах и продуктах. $N^{-3}H_3^{+1} + C^{-4}H_4^{+1} \rightarrow H^{+1}C^{+2}N^{-3} + 3H_2^0$ Сравнив степени окисления, видим, что:

• Азот (N) не изменил свою степень окисления (-3).
• Углерод (C) изменил степень окисления с -4 до +2. Произошло окисление: $C^{-4} - 6e^- \rightarrow C^{+2}$.
• Водород (H) изменил степень окисления с +1 до 0 (в молекуле $H_2$). Произошло восстановление: $2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$.

Поскольку в ходе реакции происходит изменение степеней окисления атомов углерода и водорода, данная реакция является окислительно-восстановительной. Восстановителем является метан $CH_4$ (за счет атома углерода $C^{-4}$), а окислителем — водород в степени окисления +1 (входящий в состав как $NH_3$, так и $CH_4$).

Ответ: Да, эта реакция является окислительно-восстановительной.