Номер 229, страница 216 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.229. Растворимость безводного сульфита аммония составляет 58 г на 100 г воды. Приготовили насыщенный раствор, добавив необходимое количество соли к 120 мл воды. Раствор разделили на две части. К первой части раствора добавили избыток концентрированной азотной кислоты (опыт 1). Наблюдали выделение бурого газа. Ко второй части раствора добавили 120 г соляной кислоты, взятой в избытке (опыт 2). При этом объём газа, выделившегося во втором опыте, оказался в 4 раза меньше объёма газа, выделившегося в первом опыте. Определите массовую долю соли в конечном растворе во втором опыте.

Дано:

Растворимость $S((NH₄)₂SO₃) = 58$ г на 100 г H₂O

$V(H₂O) = 120$ мл

$m_{р-ра}(HCl) = 120$ г

$V_{газ\ 1} = 4 \cdot V_{газ\ 2}$

Найти:

$\omega_{соли}$ в конечном растворе опыта 2 - ?

Решение:

1. Найдем массу и количество вещества сульфита аммония в исходном насыщенном растворе. Принимая плотность воды за 1 г/мл, масса 120 мл воды составляет 120 г.

Масса сульфита аммония $(NH₄)₂SO₃$, которая растворяется в 120 г воды для получения насыщенного раствора, рассчитывается из пропорции:

$m_{общ}((NH₄)₂SO₃) = \frac{58 \text{ г}}{100 \text{ г } H₂O} \cdot 120 \text{ г } H₂O = 69,6$ г

Вычислим молярную массу сульфита аммония:

$M((NH₄)₂SO₃) = 2 \cdot (14,01 + 4 \cdot 1,008) + 32,07 + 3 \cdot 16,00 = 116,15$ г/моль

Общее количество вещества сульфита аммония в исходном растворе:

$n_{общ}((NH₄)₂SO₃) = \frac{m_{общ}}{M} = \frac{69,6 \text{ г}}{116,15 \text{ г/моль}} \approx 0,6$ моль

2. Запишем уравнения реакций, протекающих в двух опытах.

В первом опыте (опыт 1) к части раствора добавили избыток концентрированной азотной кислоты. Сульфит-ион окисляется до сульфат-иона, а азотная кислота восстанавливается, выделяя бурый газ - диоксид азота $NO₂$.

$(NH₄)₂SO₃ + 2HNO₃(конц.) \rightarrow (NH₄)₂SO₄ + 2NO₂(г) \uparrow + H₂O$

Из уравнения следует, что количество выделившегося газа $NO₂$ в два раза больше количества сульфита аммония в первой части раствора ($n_1$):

$n(NO₂) = 2 \cdot n_1((NH₄)₂SO₃)$

Во втором опыте (опыт 2) к другой части раствора добавили избыток соляной кислоты. Происходит реакция обмена с выделением сернистого газа $SO₂$.

$(NH₄)₂SO₃ + 2HCl \rightarrow 2NH₄Cl + SO₂(г) \uparrow + H₂O$

Из этого уравнения следует, что количество выделившегося газа $SO₂$ равно количеству сульфита аммония во второй части раствора ($n_2$):

$n(SO₂) = n_2((NH₄)₂SO₃)$

3. Установим соотношение между количествами вещества соли в двух частях раствора.

По условию, объем газа во втором опыте в 4 раза меньше, чем в первом: $V(NO₂) = 4 \cdot V(SO₂)$.

Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях (температуре и давлении) объемы газов прямо пропорциональны их количествам вещества:

$n(NO₂) = 4 \cdot n(SO₂)$

Подставим в это соотношение выражения для количеств газов, полученные из уравнений реакций:

$2 \cdot n_1((NH₄)₂SO₃) = 4 \cdot n_2((NH₄)₂SO₃)$

Упростив, получаем: $n_1 = 2 \cdot n_2$.

Так как $n_{общ} = n_1 + n_2$, мы можем найти $n_2$:

$n_{общ} = 2n_2 + n_2 = 3n_2$

Количество вещества соли во второй части раствора (для опыта 2):

$n_2((NH₄)₂SO₃) = \frac{n_{общ}}{3} = \frac{0,6 \text{ моль}}{3} = 0,2$ моль

4. Рассчитаем массу конечного раствора во втором опыте.

Поскольку вторая часть раствора содержит $1/3$ от общего количества соли, она также составляет $1/3$ от массы всего исходного раствора.

Масса $(NH₄)₂SO₃$ во второй части: $m_2((NH₄)₂SO₃) = n_2 \cdot M = 0,2 \text{ моль} \cdot 116,15 \text{ г/моль} = 23,23$ г

Масса воды во второй части: $m_2(H₂O) = \frac{120 \text{ г}}{3} = 40$ г

Масса второй части исходного раствора: $m_{р-ра\ 2} = 23,23 \text{ г} + 40 \text{ г} = 63,23$ г

Масса конечного раствора равна сумме масс исходных компонентов (второй части раствора и раствора HCl) за вычетом массы улетевшего газа ($SO₂$).

Масса выделившегося газа $SO₂$:

$n(SO₂) = n_2((NH₄)₂SO₃) = 0,2$ моль

$M(SO₂) = 32,07 + 2 \cdot 16,00 = 64,07$ г/моль

$m(SO₂) = n(SO₂) \cdot M(SO₂) = 0,2 \text{ моль} \cdot 64,07 \text{ г/моль} = 12,814$ г

Масса конечного раствора:

$m_{конечн.р-ра} = m_{р-ра\ 2} + m_{р-ра}(HCl) - m(SO₂) = 63,23 \text{ г} + 120 \text{ г} - 12,814 \text{ г} = 170,416$ г

5. Найдем массу соли в конечном растворе и ее массовую долю.

Солью, образующейся в конечном растворе в результате реакции, является хлорид аммония $NH₄Cl$.

Из уравнения реакции $(NH₄)₂SO₃ + 2HCl \rightarrow 2NH₄Cl + SO₂(г) + H₂O$ следует, что:

$n(NH₄Cl) = 2 \cdot n_2((NH₄)₂SO₃) = 2 \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,4$ моль

Молярная масса хлорида аммония:

$M(NH₄Cl) = 14,01 + 4 \cdot 1,008 + 35,45 = 53,49$ г/моль

Масса образовавшегося хлорида аммония:

$m(NH₄Cl) = n(NH₄Cl) \cdot M(NH₄Cl) = 0,4 \text{ моль} \cdot 53,49 \text{ г/моль} = 21,396$ г

Массовая доля хлорида аммония в конечном растворе:

$\omega(NH₄Cl) = \frac{m(NH₄Cl)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{21,396 \text{ г}}{170,416 \text{ г}} \approx 0,12555$

Ответ: Массовая доля соли (хлорида аммония) в конечном растворе во втором опыте составляет 12,56%.