10. Имеются два стакана, содержащих по 350 см³ растворов (25 °С). Первый раствор был получен путем растворения в воде хлороводорода объемом 60 см³, второй — иодоводорода объемом 60 см³ (объемы галогеноводородов измерены при температуре 25 °С и давлении 101,3 кПа). В этом случае:

Решение:

У нас есть два раствора: один из HCl, другой из HI. Оба растворы имеют одинаковый объем 350 см³. Газы HCl и HI имеют одинаковый объем 60 см³. При одинаковых условиях (температура и давление) объемы газов пропорциональны количеству вещества (моль).

Следовательно, количество моль HCl и HI, растворенных в воде, одинаково.

Молярная масса HCl ≈ 36.5 г/моль.

Молярная масса HI ≈ 127.9 г/моль.

Так как молярная масса HI значительно больше, чем у HCl, то при одинаковом количестве моль, масса HI будет больше, чем масса HCl.

Массовая доля растворенного вещества \( w = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}} \).

Молярная концентрация \( C_m = \frac{n}{V_{раствора}} \).

1. Для нейтрализации растворов потребуются одинаковые количества гидроксида калия, если бы у нас были одинаковые количества моль кислот. Так как количество моль HCl и HI одинаково, то и количество моль KOH для нейтрализации будет одинаковым. Этот вариант верен.
2. Массовая доля растворенного вещества: так как масса HI больше массы HCl при одинаковом количестве моль, и объем растворов одинаков, то массовая доля HI (во втором растворе) будет больше, чем массовая доля HCl (в первом растворе). То есть, массовая доля в первом растворе меньше, чем во втором. Этот вариант верен.
3. Молярная концентрация растворенного вещества: так как количество моль HCl и HI одинаково, а объем растворов одинаков, то молярные концентрации также будут одинаковы. Этот вариант неверен.
4. Молярная концентрация растворенного вещества в первом растворе меньше, чем во втором. Это неверно, они одинаковы.

Рассмотрим внимательно условие: "В этом случае:". Требуется выбрать одно утверждение.

Вариант 1: "для нейтрализации растворов требуются одинаковые количества гидроксида калия". Поскольку количество моль HCl и HI одинаково (так как объемы газов одинаковы при одинаковых условиях), то для их нейтрализации потребуется одинаковое количество моль основания (KOH).

Вариант 2: "массовая доля растворенного вещества в первом растворе меньше, чем во втором". Масса HI > массы HCl. Объем растворов одинаковый. Следовательно, массовая доля HI > массовая доля HCl. Значит, массовая доля в первом (HCl) растворе меньше, чем во втором (HI).

Оба варианта 1 и 2 кажутся верными. Однако, если растворение газов в воде приводит к изменению объема воды, и объем конечного раствора задан (350 см³), то надо учитывать это. Но обычно в таких задачах предполагается, что объем раствора равен объему растворителя, или изменения объема незначительны. Если же принять, что растворение газов не меняет объем раствора, то количество моль HCl = количество моль HI.

Давайте перечитаем условие: "объемы галогеноводородов измерены при температуре 25 °С и давлении 101,3 кПа". Это означает, что количество вещества газов одинаково. \( n_{HCl} = n_{HI} \).

Молярная концентрация \( C_m = \frac{n}{V} \). Так как \( n_{HCl} = n_{HI} \) и \( V_{раствора} = 350 \text{ см}^3 \) для обоих растворов, то \( C_m(HCl) = C_m(HI) \). Значит, вариант 3 и 4 неверны.

Для нейтрализации \( HCl + KOH → KCl + H_2O \) и \( HI + KOH → KI + H_2O \). Если \( n_{HCl} = n_{HI} \), то и количество \( n_{KOH} \) для нейтрализации будет одинаковым.

Теперь про массовую долю. \( w = \frac{m_{растворенного вещества}}{m_{раствора}} \). \( m_{раствора} = m_{растворителя} + m_{растворенного вещества} \).

\( m_{HCl} = n_{HCl} \times M_{HCl} \approx n \times 36.5 \)

\( m_{HI} = n_{HI} \times M_{HI} \approx n \times 127.9 \)

Масса HI больше массы HCl. Следовательно, массовая доля HI больше массовой доли HCl.

\( w_{HCl} = \frac{m_{HCl}}{m_{раствора HCl}} \), \( w_{HI} = \frac{m_{HI}}{m_{раствора HI}} \).

Так как \( m_{HI} > m_{HCl} \) и \( m_{раствора HI} \) также будет больше, чем \( m_{раствора HCl} \) (из-за большей массы растворенного вещества), нам нужно сравнить дроби.

Пусть \( n = 1 \) моль. \( m_{HCl} = 36.5 \text{ г} \), \( m_{HI} = 127.9 \text{ г} \).

Объем раствора 350 см³. Плотность воды ≈ 1 г/см³. Примем, что объем растворителя ≈ 350 см³. Тогда \( m_{растворителя} = 350 \text{ г} \).

\( m_{раствора HCl} = 350 + 36.5 = 386.5 \text{ г} \)

\( m_{раствора HI} = 350 + 127.9 = 477.9 \text{ г} \)

\( w_{HCl} = \frac{36.5}{386.5} \approx 0.0944 \)

\( w_{HI} = \frac{127.9}{477.9} \approx 0.2676 \)

Таким образом, массовая доля в первом растворе (HCl) меньше, чем во втором (HI).

Оба варианта 1 и 2 верны. Но если нужно выбрать один, то часто задания на сравнение концентраций или долей считаются более полным ответом, чем на нейтрализацию, если нет дополнительных уточнений.

В данном случае, оба утверждения верны. Однако, если выбирать наиболее точное описание различий между растворами, то сравнение массовой доли или молярной концентрации более показательно.

Проверим еще раз, могут ли быть одинаковые молярные концентрации, если они оба имеют одинаковое количество моль и одинаковый объем?

\( C_m(HCl) = \frac{n}{V} \) и \( C_m(HI) = \frac{n}{V} \). Да, молярные концентрации одинаковы.

Значит, варианты 3 и 4 неверны. Остаются 1 и 2.

Если количество моль одинаковое, то для нейтрализации требуется одинаковое количество моль основания. Это факт.

Если массовая доля HI больше, чем HCl, то вариант 2 верен.

Возможно, есть нюанс в задании, который заставляет выбрать один из вариантов. Иногда задания строятся так, что один вариант является следствием другого или более общим.

Рассмотрим, почему может быть выбрано одно из этих утверждений. Если бы были разные объемы растворов, то молярные концентрации были бы разными, но количества моль могли бы быть одинаковыми. Здесь объемы одинаковые, и количества моль одинаковые, поэтому молярные концентрации одинаковые.

Сравним массовые доли: \( w_{HCl} < w_{HI} \).

Сравним количества моль для нейтрализации: \( n_{KOH} \) для \( HCl \) = \( n_{HCl} \), \( n_{KOH} \) для \( HI \) = \( n_{HI} \). Так как \( n_{HCl} = n_{HI} \), то \( n_{KOH} \) одинаковое.

Оба утверждения истинны.

В учебных тестах, когда два утверждения верны, нужно выбрать то, которое наиболее точно характеризует различие или сходство растворов, или то, которое является прямым следствием условий. В данном случае, различие в молярных массах напрямую влияет на массовую долю, при одинаковом количестве моль и объеме. Сходство в молярных концентрациях и количестве моль для нейтрализации является следствием того, что объемы газов были одинаковы.

Если выбирать между 1 и 2, то 2 описывает разницу в составе растворов (массовая доля), которая вызвана разницей в молярных массах. 1 описывает одинаковую химическую активность в реакции нейтрализации, которая вызвана одинаковым количеством моль.

Часто при сравнении растворов акцент делается на концентрации и массовой доле, так как они отражают состав. Поэтому вариант 2 может быть предпочтительнее.

Ответ: 2) массовая доля растворенного вещества в первом растворе меньше, чем во втором;