Номер 64, страница 244 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.64. Смесь меди и оксида меди(II) может прореагировать с 219 г 10%-го раствора соляной кислоты или 61,25 г 80%-го раствора серной кислоты. Определите массовую долю меди в смеси.

Дано:

Смесь Cu и CuO
$m_{р-ра}(HCl) = 219\ г$
$ω(HCl) = 10\% = 0.1$
$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 61.25\ г$
$ω(H_2SO_4) = 80\% = 0.8$

Найти:

$ω(Cu)$ в смеси - ?

Решение:

В условии описаны два независимых эксперимента с одной и той же по составу и массе смесью меди (Cu) и оксида меди(II) (CuO).

1. Взаимодействие с соляной кислотой. Медь (Cu) является металлом, стоящим в ряду электрохимической активности после водорода, поэтому она не вступает в реакцию с разбавленными кислотами-неокислителями, какой является 10%-й раствор соляной кислоты. С HCl будет реагировать только оксид меди(II) (CuO), как основный оксид.

Уравнение реакции:

$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

Найдем массу чистого хлороводорода в растворе:
$m(HCl) = m_{р-ра}(HCl) \cdot ω(HCl) = 219\ г \cdot 0.1 = 21.9\ г$

Рассчитаем молярные массы веществ (используя округленные атомные массы: Ar(Cu)=64, Ar(O)=16, Ar(H)=1, Ar(Cl)=35.5, Ar(S)=32):
$M(HCl) = 1 + 35.5 = 36.5\ г/моль$
$M(CuO) = 64 + 16 = 80\ г/моль$
$M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98\ г/моль$
$M(Cu) = 64\ г/моль$

Найдем количество вещества (моль) HCl, вступившего в реакцию:
$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{21.9\ г}{36.5\ г/моль} = 0.6\ моль$

Согласно стехиометрии уравнения реакции, на 1 моль CuO приходится 2 моль HCl. Следовательно, количество вещества CuO в смеси составляет:
$n(CuO) = \frac{1}{2} n(HCl) = \frac{1}{2} \cdot 0.6\ моль = 0.3\ моль$

Теперь мы можем найти массу оксида меди(II) в исходной смеси:
$m(CuO) = n(CuO) \cdot M(CuO) = 0.3\ моль \cdot 80\ г/моль = 24\ г$

2. Взаимодействие с серной кислотой. 80%-й раствор серной кислоты является концентрированным и сильным окислителем. Поэтому с ним будут реагировать оба компонента смеси: и медь, и оксид меди(II).

Уравнения реакций:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

$Cu + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

Найдем массу чистой серной кислоты в растворе:
$m(H_2SO_4) = m_{р-ра}(H_2SO_4) \cdot ω(H_2SO_4) = 61.25\ г \cdot 0.8 = 49\ г$

Найдем общее количество вещества $H_2SO_4$, которое может прореагировать:
$n_{общ}(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{49\ г}{98\ г/моль} = 0.5\ моль$

Это общее количество кислоты расходуется на две реакции: с CuO и с Cu. Мы уже определили количество вещества CuO в смеси ($n(CuO) = 0.3\ моль$). Найдем, сколько серной кислоты потребовалось для реакции с оксидом меди.

По первому уравнению ($CuO + H_2SO_4 \rightarrow ...$), на 1 моль CuO расходуется 1 моль $H_2SO_4$.
$n_1(H_2SO_4)_{на\ CuO} = n(CuO) = 0.3\ моль$

Оставшееся количество серной кислоты прореагировало с металлической медью:
$n_2(H_2SO_4)_{на\ Cu} = n_{общ}(H_2SO_4) - n_1(H_2SO_4)_{на\ CuO} = 0.5\ моль - 0.3\ моль = 0.2\ моль$

Теперь, используя второе уравнение реакции ($Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow ...$), найдем количество вещества меди в смеси. На 1 моль Cu расходуется 2 моль $H_2SO_4$.
$n(Cu) = \frac{1}{2} n_2(H_2SO_4)_{на\ Cu} = \frac{1}{2} \cdot 0.2\ моль = 0.1\ моль$

Найдем массу меди в исходной смеси:
$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = 0.1\ моль \cdot 64\ г/моль = 6.4\ г$

Теперь у нас есть массы обоих компонентов смеси. Найдем общую массу смеси:
$m_{смеси} = m(Cu) + m(CuO) = 6.4\ г + 24\ г = 30.4\ г$

Наконец, определим массовую долю меди в смеси:
$ω(Cu) = \frac{m(Cu)}{m_{смеси}} = \frac{6.4\ г}{30.4\ г} \approx 0.2105$

Для выражения в процентах, умножим полученное значение на 100%:
$ω(Cu) = 0.2105 \cdot 100\% \approx 21.05\%$

Ответ: массовая доля меди в смеси составляет 21,05%.