Номер 193, страница 213 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.193. При нагревании смеси 6,6 г сульфата аммония и 4,8 г гидроксида натрия выделился газ, который полностью поглотили 120 г 5%-го раствора сульфата железа(III). Найдите массовую долю соли в образовавшемся растворе.

Дано:

$m((NH_4)_2SO_4) = 6,6 \text{ г}$

$m(NaOH) = 4,8 \text{ г}$

$m_{р-ра}(Fe_2(SO_4)_3) = 120 \text{ г}$

$\omega(Fe_2(SO_4)_3) = 5\% \text{ или } 0,05$

Найти:

$\omega(\text{соли в конечном растворе}) - ?$

Решение:

1. При нагревании сульфата аммония с гидроксидом натрия происходит реакция обмена, в результате которой выделяется аммиак. Запишем уравнение реакции:

$(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы и количества веществ исходных реагентов, чтобы определить, какое из них находится в недостатке.

$M((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot (14 + 4 \cdot 1) + 32 + 4 \cdot 16 = 132 \text{ г/моль}$

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

$n((NH_4)_2SO_4) = \frac{m}{M} = \frac{6,6 \text{ г}}{132 \text{ г/моль}} = 0,05 \text{ моль}$

$n(NaOH) = \frac{m}{M} = \frac{4,8 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0,12 \text{ моль}$

3. Определим лимитирующий реагент. Согласно уравнению реакции, на 1 моль сульфата аммония требуется 2 моль гидроксида натрия. Следовательно, на 0,05 моль $(NH_4)_2SO_4$ необходимо:

$n_{теор.}(NaOH) = 2 \cdot n((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot 0,05 = 0,10 \text{ моль}$

Поскольку у нас есть 0,12 моль $NaOH$, что больше, чем 0,10 моль, гидроксид натрия находится в избытке, а сульфат аммония является лимитирующим реагентом. Дальнейшие расчеты ведем по сульфату аммония.

4. Найдем количество вещества и массу выделившегося аммиака ($NH_3$). По уравнению реакции, из 1 моль $(NH_4)_2SO_4$ образуется 2 моль $NH_3$.

$n(NH_3) = 2 \cdot n((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot 0,05 = 0,10 \text{ моль}$

$M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$

$m(NH_3) = n \cdot M = 0,10 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} = 1,7 \text{ г}$

5. Аммиак поглощается раствором сульфата железа(III). При этом аммиак в водном растворе образует гидроксид аммония ($NH_4OH$), который реагирует с солью железа с образованием нерастворимого гидроксида железа(III) и растворимой соли - сульфата аммония. Суммарное уравнение реакции:

$Fe_2(SO_4)_3 + 6NH_3 + 6H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3(NH_4)_2SO_4$

6. Найдем массу и количество вещества сульфата железа(III) в исходном растворе.

$m(Fe_2(SO_4)_3) = m_{р-ра} \cdot \omega = 120 \text{ г} \cdot 0,05 = 6,0 \text{ г}$

$M(Fe_2(SO_4)_3) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot (32 + 4 \cdot 16) = 112 + 288 = 400 \text{ г/моль}$

$n(Fe_2(SO_4)_3) = \frac{m}{M} = \frac{6,0 \text{ г}}{400 \text{ г/моль}} = 0,015 \text{ моль}$

7. Определим, какое из веществ (аммиак или сульфат железа(III)) находится в недостатке в этой реакции. По уравнению, на 1 моль $Fe_2(SO_4)_3$ требуется 6 моль $NH_3$. На 0,015 моль $Fe_2(SO_4)_3$ потребуется:

$n_{теор.}(NH_3) = 6 \cdot n(Fe_2(SO_4)_3) = 6 \cdot 0,015 = 0,09 \text{ моль}$

Поскольку у нас есть 0,10 моль аммиака, что больше, чем 0,09 моль, аммиак находится в избытке. Расчет продуктов реакции ведем по сульфату железа(III).

8. Рассчитаем массу образовавшейся соли (сульфата аммония) и массу осадка (гидроксида железа(III)).

Соль в конечном растворе — это сульфат аммония, $(NH_4)_2SO_4$.

$n((NH_4)_2SO_4)_{\text{обр.}} = 3 \cdot n(Fe_2(SO_4)_3) = 3 \cdot 0,015 = 0,045 \text{ моль}$

$m((NH_4)_2SO_4)_{\text{обр.}} = n \cdot M = 0,045 \text{ моль} \cdot 132 \text{ г/моль} = 5,94 \text{ г}$

Осадок — это гидроксид железа(III), $Fe(OH)_3$.

$M(Fe(OH)_3) = 56 + 3 \cdot (16+1) = 107 \text{ г/моль}$

$n(Fe(OH)_3) = 2 \cdot n(Fe_2(SO_4)_3) = 2 \cdot 0,015 = 0,03 \text{ моль}$

$m(Fe(OH)_3) = n \cdot M = 0,03 \text{ моль} \cdot 107 \text{ г/моль} = 3,21 \text{ г}$

9. Найдем массу конечного раствора. Она складывается из массы исходного раствора сульфата железа(III) и массы поглощенного (прореагировавшего) аммиака, за вычетом массы выпавшего осадка. Масса прореагировавшего аммиака:

$m(NH_3)_{\text{прореаг.}} = n_{теор.}(NH_3) \cdot M(NH_3) = 0,09 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} = 1,53 \text{ г}$

$m_{\text{конечн. р-ра}} = m_{р-ра}(Fe_2(SO_4)_3) + m(NH_3)_{\text{прореаг.}} - m(Fe(OH)_3)$

$m_{\text{конечн. р-ра}} = 120 \text{ г} + 1,53 \text{ г} - 3,21 \text{ г} = 118,32 \text{ г}$

10. Найдем массовую долю соли (сульфата аммония) в образовавшемся растворе.

$\omega((NH_4)_2SO_4) = \frac{m((NH_4)_2SO_4)_{\text{обр.}}}{m_{\text{конечн. р-ра}}} = \frac{5,94 \text{ г}}{118,32 \text{ г}} \approx 0,0502$

$\omega((NH_4)_2SO_4) \approx 5,02\%$

Ответ: массовая доля соли (сульфата аммония) в образовавшемся растворе составляет 5,02%.