Практико-ориентированные расчетные задачи по химии

Практико-ориентированные расчетные задачи

Химия и чистота

Чтобы добиться чистоты и сделать это как можно эффективнее, бы­стрее, дешевле, надо знать, какие вещества загрязняют, а какие моют наши вещи. Потом можно будет обрушить на многоликого врага по име­ни «грязь» весь арсенал средств бытовой химии и успешно победить его. При этом не обойтись без расчетов, а значит — без решения химических задач.

1. Чтобы не ошибиться с выбором стирального порошка, опытные хозяйки определяют состав волокна, из которого состоит ткань. Для этого бывает достаточно поджечь нитку ткани. Если результат пробы на сгорание вызывает сомнение и надо окончательно установить расти­тельное (хлопок, лен) или животное (шелк, шерсть) происхождение тка­ни, трикотажа, ниток или пряжи, опускают волокно в стакан с горя­чим 10%-м раствором гидроксида натрия. При этом шерсть и натураль­ный шелк растворятся без остатка. Если в стакане появился осадок, во­локно растительное (хлопок или лен). Рассчитайте массу гидроксида натрия для приготовления 250мл 10%-то раствора NaOH (плотность 1,11 г/мл).

Ответ: m(NaOH)= 27,75 г.

2. Если вода жесткая, то это плохо для стирки и мытья. Жесткая вода содержит повышенное количество солей кальция, магния, железа. Катионы Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ реагируют с анионами жирных кислот, входящих в состав мыла, и образуют малорастворимые соединения, например Са(С₁₇Н₃₅СОО)₂. Они забивают поры ткани, делая ее грубой и неэластичной; она перестает пропускать воздух и влагу.

Рассчитайте массу осадка Са(С₁₇Н₃₅СОО)₂ , выделяющегося из 5 литров жесткой воды, содержащей 0,005 моль/л гидрокарбоната кальция, с избытком натриевого мыла — стеарата натрия.

Ответ: w(oc.) = 15,18 г.

3. Сделать жесткую воду более пригодной для стирки и мыть можно, если ее прокипятить или добавить немного гидроксида натрия (при этом гидрокарбонат кальция превращается в карбонат кальция, который выпадает в осадок). Определите массу гидроксида натрия, который требуется для осаждения соли кальция из 10 л жесткой воды содержанием Са(НСОз)₂ 0,001 моль/л.

Ответ: масса (NaOH) = 0,4 г.

4. Смесь для выведения с одежды жирных пятен готовят так: в 180 м бензина растворяют 4 мл этилового спирта и 12 мл олеиновой кислоты, а потом при постоянном перемешивании к этой смеси добавляют еще 6 мл 25%-го водного раствора аммиака. Рассчитайте массовую долю аммиака в полученной смеси. Значения плотности: 0,75 г/мл (бензин;

0,79 г/мл (этиловый спирт), 0,87 г/мл (олеиновая кислота), 0,906 г/м. (раствор аммиака).

О т в е т: w = 0,88% .

5. Как избавиться от пятен на белой ткани? Пятно смачивают водой, затем посыпают порошком гидросульфита натрия NаНSОз, потом пипеткой наносят на него 3%-й водный раствор пероксида водорода. После этого промывают обработанное место водой с добавкой уксуса. Этот способ отбеливания основан на выделении активного атомарного кислорода[О]:

H₂O₂ = Н₂О + [О]. Одновременно выделяется некоторое количество диоксида серы:

2 NаНSОз = Na₂S0₃ + H₂O + SO₃

Атомарный кислород и газообразный диоксид серы эффективно обесцвечивают любые пятна. Рассчитайте объем (при н. у.) атомарной кислорода и диоксида серы, которые выделяются при использовании 1 мл 3%-го раствора H₂O₂ (практический выход реакции 70%) и 0,5 г NаНSОз, (практический выход реакции 85%). Плотность раствора H₂O₂ равна плотности воды.

Ответ: V(0) = 0,014 л; V(SO₃) = 0,046 л.

6. Водопроводная вода отличается от дождевой и снеговой тем, что содержит много солей кальция и магния. В такой жесткой воде плохо мылится мыло, на коже при умывании такой водой образуется на­лет труднорастворимых солей. «Временная» (карбонатная) жесткость во­ды легко устраняется кипячением, потому что вызывающие ее гидрокар­бонаты кальция и магния разлагаются при нагревании, выделяя осадок карбонатов (накипь) и углекислый газ. Рассчитайте массу карбоната кальция, который выделяется при кипячении 5 л жесткой воды с содер­жанием гидрокарбоната кальция 0,01 моль/л.

Ответ: масса(СаСОз) = 5 г.

7. Хорошее мыло имеет приятный запах за счет введенных в него парфюмерных добавок — отдушек. Кроме того, в состав туалетных сортов мыла добавляют наполнители (например, диоксид титана TiO₂) и красители. Специальные сорта мыла включают также антисептики и биологически активные вещества. Существует множество сортов мы­ла, но главные компоненты любого мыла одни и те же — это натриевые и калиевые соли жирных кислот (стеариновой, пальмитиновой и др.).

При взаимодействии этих солей в водной среде с сильными кислотам выпадает осадок малорастворимых жирных кислот, например стеариновой: С₁₇Н₃₅COONa + НС1 = С₁₇Н₃₅COOH + NaCl

Рассчитайте массу осадка стеариновой кислоты, который выделите при кислотной обработке 2л 4,5%-го водного раствора мыла, содержащего 95% стеарата натрия. Плотность раствора мыла равна плотности воды.

Ответ: т = 79,37г.

Ответ: т = 71,84 г.

ХИМИЯ И КРАСОТА

Здоровье и чистота неотделимы друг от друга, а средства гигиены и косметики — необходимые составные части современного быта. Как же выбрать самый короткий путь к красоте? Снова нам на помощь прихо­дит химия.

1. Для ухода за кожей рук рекомендуют использовать эмульсион­ные кремы на основе вазелинового масла, в которых содержится до 14% пчелиного воска, около 35% воды и 1% тетрабората натрия Na₂B₄O₇. Рассчитайте массу декагидрата тетрабората натрия Na₂B₄O₇ •10Н₂О, ко­торый требуется для приготовления 60 г такого крема.

О т в е т: т = 1,13 г.

2. Знаменитые красавицы, которыми вос­хищались современники во все времена — пре­красная Елена, из-за которой приключилась Троянская война, легендарная Нефертити, див­ная Клеопатра, — славились роскошными вол­нистыми или кудрявыми волосами. Вот почему с незапамятных времен непрерывно совершенст­вовались способы завивки и укладки волос. Од­нако химические процессы, лежащие в основе парикмахерского искусства, люди поняли срав­нительно недавно. «Строительный материал» волос — это белок кератин, состоящий из длин­ных цепочек молекул аминокислоты цистеина. Длинные ороговевшие клетки волокнистого слоя волоса состоят из бел­ковых молекул, которые связаны друг с другом посредством дисульфидных «мостиков» S—S и межмолекулярных водородных связей. Именно эти мостики и связи определяют кудрявость волоса. Рассчитайте массо­вую долю элементов: а) серы; б) азота; в) кислорода в цистеине.

Ответ: w(S) = 26,47%; w(.N) = 11,56%; w(0) = 26,41%.

3. Внешнюю поверхность волоса образуют плоские клетки, похо­жие на пластинки. Под ними находится второй слой волоса, который со­стоит из длинных узких ороговевших клеток, образующих основную массу волоса. В этом слое также содержится пигмент меланин, опреде­ляющий окраску волос. Химическое разрушение меланина происходи при сплавлении со щелочью при 200 °С, окислении концентрированным раствором перманганата калия или пероксидом водорода. Поэтому пероксид водорода (в виде 3—5% -го водного раствора) часто используете для обесцвечивания волос перед их окраской. Рассчитайте объем

30%-го раствора пероксида водорода (плотность 1112 г/л), который требуется для приготовления 1 л 4% -го раствора (плотность 1013 г/л).

О т в е т: V = 121,5 мл.

4. До изобретения синтетических средств волосы окрашивали cамыми удивительными способами, например солями серебра. Для этого на волосы наносили сначала красящий раствор, содержащий аммиачный комплекс серебра [Аg(NНз)₂]ОН, а потом обрабатывали волос сульфидом натрия или просто дожидались разложения комплекса и выделения (восстановления) металлического серебра на свету. Рассчитает массу серебра в дамской прическе после такой окраски, если восстанавливается 0,1 моль [Ag(NH₃)₂]OH, причем половина выделившегося серебра теряется механически при расчесывании волос.

Ответ: m(Ag) = 5,39 г.

5. Хочешь быть зубастым — чисть зубы пастой! Зубные пасты -это сложные смеси, чаще всего содержащие карбонат кальция (мел). Природный мел использовать для изготовления зубной пасты нельзя: с образовался из донных отложений доисторических морей и содержит очень твердые включения — панцири и раковины морских моллюске Карбонат кальция для зубной пасты получают химическим осаждение из раствора гидроксида кальция:

Са(ОН₎₂ +Nа₂СОз = СаСО₃+ 2NaOH.

Рассчитайте массу гидроксида кальция, который требуется для получения 85 кг карбоната кальция этим способом, если выход продукта в технологическом процессе осаждения «искусственного мела» равен 94%.

Ответ: масса(Са(ОН)₂) = 66,936 кг ( 67 кг).

6. Фторсодержащие добавки, которые вводят в профилактиче­ских целях в зубные пасты, замедляют образование и распространение бактериального налета на зубах — причины грозного кариеса. Опреде­лите массовую долю фтора в зубной пасте, содержащей 0,5% фторида олова SnF₂ и 0,25% NaF.

Ответ: w(F)=0,23%.

7. Прозрачные зубные пасты на основе геля диоксида кремния и некоторых полимеров могут содержать любые лечебные и вкусовые ком­поненты. Для получения геля диоксида кремния SiO₂ газообразный ди­оксид углерода пропускают через раствор, содержащий ортосиликат натрия Na₄Si0₄. Определите количество (моль) выделившегося диокси­да кремния, если на реакцию пошло 44,8 л CO₂ (н. у.), а потери диокси­да углерода составляют 10%.

Ответ: количество вещества (SiO₂) = 0,9 моль.

8. Для мытья головы существует множество средств, в том числе содержащих различные добавки. Если вам достался шампунь без таких добавок, а вода жесткая, то при последнем полоскании волос добавьте 3 ложки (45 мл) столового уксуса (3% -го водного раствора уксусной кислоты) на 20 л воды. Это предотвратит образование на волосах налета даст гарантию полной нейтрализации щелочной среды, остающейся после применения мыла. При этом чешуйки поверхностного волосяного слоя укладываются в свое нормальное положение — вдоль волоса, а не топорщатся, как колючки ежа. Рассчитайте: а) молярную концентрацию уксусной кислоты в 3% -м водном растворе; б) массовую долю yксусной кислоты в растворе для полоскания волос. Плотность столового уксуса равна 1003 г/л.

Ответ: а) с = 0,5 моль/л; б) w = 0,0068% .

9. Врачи считают, что причина перхоти — болезнетворные микроорганизмы. Самые распространенные шампуни от перхоти содержа сульсен — дисульфид селена SeS₂, а также салициловую кислоту и серосодержащие соединения цинка. Лечебные шампуни могут содержать другие антисептические средства. Рассчитайте содержание в массовых долях: а) селена; б) серы в дисульфиде селена.

О т в е т: a) w(Se) = 55,18%; б) w(S) = 44,82% .

10. Существуют средства, предотвращающие потоотделение самым радикальным образом — антиперспиранты. Они включают соли алюминия, которые служат для закупорки потовыводящих каналов кожи; oксид цинка, реагент с подсушивающим и противомикробным действием; таннин, образующий с белками кожи соединения, понижающие активность потовых желез, и бактерицидную добавку — разбавленный формалин. Рассчитайте массу формалина (40%-го водного раствора формальдегида), которую надо ввести в смесь при изготовлении 200 г антиперспиранта, если согласно рецептуре в нем должно содержаться 0,5%формальдегида НСНО.

О т в е т: т = 2,5 г.

ХИМИЯ НА КУХНЕ

Многие методы химии и химической технологии выросли из древ­них приемов «кухонных дел мастеров». Не зря немецкий физикохимик Вильгельм Фридрих Оствальд (1853—1932) в свое время заметил, что «каждый химик должен протянуть руку кухарке и пожать ее, как своему коллеге». Кулинарные операции, состав и свойства распространенных компонентов пищи не объяснишь без знания химии.

1. Считается, что в дневном меню соотношение белков, жиров и 1 углеводов по массе должно составлять 1:1:4. Это значит, что продукт ты, содержащие белки, должны оптимальным образом сочетаться с растительными и животными жирами, а также углеводами (крахмалом, са­харом, клетчаткой). Рассчитайте количество вещества (моль) углеводов (в расчете на сахарозу c₁₂Н₂₂o₁₁) и жиров (в расчете на триглицерид стеа­риновой кислоты (С₁₇Нз₅СОО)зСзН₅), которые должны присутствовать в рациональном дневном меню, если масса белков в этом меню составляет 100 г.

Ответ: n(жиров) = 0,11 моль; n(углеводов) = 1,17 моль.

2. Больше всего белка в сыре (до 25%), мясных продуктах (в сви­нине 8—15, баранине 16—17, говядине 16—20%), в птице (21%), рыбе (13—21%), яйцах (13%), твороге (14%). Молоко содержит 3% белков, а хлеб — 7—8%. Рассчитайте массу каждого из этих продуктов, обеспечи­вающую дневную потребность взрослого человека в белках, равную 200 г.

Ответ: m(сыр) = 800 г, m(свинина) = 1333,3—2500 г, m(баранина) = = 1176,5—1250 г, m(говядина) = 1000—1250 г, m(птица) = 952,4 г, m(рыба) = 952,4—1538,5 г, m(яйцо) = 1538,5 г, m(творог) = 1428,6 г, m(молоко) = 6666,7 г, m(хлеб) = 2500—2857 г.

3. Яйцо «в мешочек» с очень тонким, но плотным слоем белка ва­рится не в воде, а в столовом уксусе с добавкой поваренной соли в течение 3—3,5 минуты и получается — не удивляйтесь! — без скорлупы. Растворение яичной скорлупы, состоящей из карбоната CaCO и ортофосфата кальция Саз(Р0₄)₂, отвечает реакции:

CaCO₃ + 2СНзСООН = Ca(CH₃COO)₂ + СО₂ + H₂O.

Какой объем столового уксуса (3%-го раствора уксусной кислоты) требуется для растворения скорлупы одного яйца? Массу яичной скор­лупы примите равной 6 г, а содержание в ней карбоната кальция — 40%.

Ответ: V(p) = 0,096 л.

4. В простокваше, йогурте, кефире содержится 0,6—1% моло¹ ной кислоты, которая обладает противомикробным действием. Вот почему кисломолочные продукты широко рекомендуются для лечебно] питания. Рассчитайте молярность молочной кислоты в этих продукта (плотность растворов примите равной 0,99 г/мл).

О т в е т: с = 0,07—0,11 моль/л.

5. Витамин С (аскорбиновая кислота) предохраняет от цинги, по­вышает иммунитет. Источники этого витамина в питании — свежие и консервированные овощи, фрукты, ягоды. Особенно богаты аскорбин­кой плоды шиповника, смородина, петрушка, укроп, а среди дикорасту­щих — крапива, кислица, черемша. Аскорбиновая кислота неустойчи­ва: при нагревании на воздухе легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, не имеющей витаминных свойств. Это обстоятельство надо учитывать при кулинарной обработке овощей и фруктов. Суточная по­требность организма в витамине С — 75—100 мг. Сколько лимонов надо съедать ежесуточно, чтобы удовлетворить потребности организма в ви­тамине С? Примите среднюю массу одного лимона равной 100 г, а содер­жание аскорбиновой кислоты в нем — 0,5%.

Ответ: ежесуточно надо съедать около 1/5 части лимона.

6. Витамин А (ретинол) улучшает состояние кожи и слизистых оболочек глаз, повышает иммунитет, а главное — обеспечивает остроту зрения в сумерках. При недостатке витамина А возникает «куриная слепота» (человек плохо видит в вечернее время). Ретинол содержится в молоке, сливочном масле, сыре, рыбьем жире, а также может синтезироваться в печени человека из провитамина А — каротина, источником которого являются морковь, томаты и облепиха. Суточная потребность организма в витамине А — 2 мг, это 1 мг каротина. Достаточно ли для удовлетворения потребности организма в витамине А съедать каждый день 100 г моркови? Считайте, что мор­ковь содержит в среднем 0,005% каротина.

7. Одна минута физической работы требует около 10'³ моль АТФ в расчете на 1 г мышц. Сколько молей (и граммов) глюкозы должно сго­реть, чтобы обеспечить энергией игру в волейбол фунта (454 г) мускулов в течение трех минут?

8. Если ваш организм производит приблизительно 100 моль АТФ в день, сколько молей (и граммов) глюкозы затрачивается на производство этого количества АТФ?