Страница 194 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.4. При взаимодействии иода с хлором образуются оранжево-красные кристаллы, содержащие 45,6% хлора по массе. Запишите уравнение реакции.

Дано:

Продукт реакции йода с хлором - соединение IₓClᵧ.

Массовая доля хлора в продукте: $w(\text{Cl}) = 45,6\% = 0,456$.

Найти:

Уравнение реакции.

Решение:

1. Для того чтобы написать уравнение реакции, необходимо сначала установить формулу продукта. Обозначим ее как IₓClᵧ, где x и y - индексы, показывающие соотношение атомов йода и хлора в молекуле.

2. Так как соединение состоит только из йода и хлора, то массовая доля йода в нем составляет:

$w(\text{I}) = 100\% - w(\text{Cl}) = 100\% - 45,6\% = 54,4\%$

3. Соотношение индексов x и y в формуле соответствует соотношению количеств вещества (молей) атомов элементов в соединении:

$x : y = n(\text{I}) : n(\text{Cl})$

Количество вещества ($n$) можно найти по формуле $n = \frac{m}{M}$, где $m$ - масса, а $M$ - молярная масса. Для удобства расчета примем массу образца соединения за 100 г. Тогда массы хлора и йода в нем будут равны их массовым долям в граммах:

$m(\text{Cl}) = 45,6 \text{ г}$

$m(\text{I}) = 54,4 \text{ г}$

4. Молярные массы атомов йода и хлора равны:

$M(\text{I}) \approx 127 \text{ г/моль}$

$M(\text{Cl}) \approx 35,5 \text{ г/моль}$

5. Рассчитаем количество вещества каждого элемента:

$n(\text{I}) = \frac{m(\text{I})}{M(\text{I})} = \frac{54,4 \text{ г}}{127 \text{ г/моль}} \approx 0,428 \text{ моль}$

$n(\text{Cl}) = \frac{m(\text{Cl})}{M(\text{Cl})} = \frac{45,6 \text{ г}}{35,5 \text{ г/моль}} \approx 1,285 \text{ моль}$

6. Найдем соотношение $x : y$, разделив полученные количества вещества на наименьшее из них (0,428 моль):

$x : y = \frac{0,428}{0,428} : \frac{1,285}{0,428} = 1 : 3,002 \approx 1 : 3$

Следовательно, простейшая формула соединения — ICl₃ (трихлорид йода).

7. Теперь запишем уравнение реакции взаимодействия простых веществ — йода (I₂) и хлора (Cl₂):

I₂ + Cl₂ → ICl₃

Для того чтобы сбалансировать уравнение, поставим коэффициент 2 перед ICl₃, чтобы уравнять количество атомов йода:

I₂ + Cl₂ → 2ICl₃

Теперь в правой части 6 атомов хлора ($2 \cdot 3 = 6$), а в левой — 2. Поставим коэффициент 3 перед Cl₂:

I₂ + 3Cl₂ → 2ICl₃

Проверяем: слева 2 атома I и 6 атомов Cl; справа 2 атома I и 6 атомов Cl. Уравнение сбалансировано.

Ответ: $I₂ + 3Cl₂ = 2ICl₃$.

7.5. На смесь 11,1 г хлорида кальция и 90 г оксида марганца (IV) подействовали избытком раствора серной кислоты. Какой объём хлора (н. у.) образовался?

Дано:

$m(CaCl₂) = 11,1 \text{ г}$

$m(MnO₂) = 90 \text{ г}$

$H₂SO₄$ - избыток

Найти:

$V(Cl₂)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции. Хлор выделяется в результате окислительно-восстановительной реакции между хлоридом кальция (источник хлорид-ионов), оксидом марганца(IV) (окислитель) и серной кислотой (создает кислую среду):

$CaCl₂ + MnO₂ + 2H₂SO₄ → MnSO₄ + CaSO₄↓ + Cl₂↑ + 2H₂O$

2. Рассчитаем молярные массы хлорида кальция и оксида марганца(IV):

$M(CaCl₂) = M(Ca) + 2 \cdot M(Cl) = 40 + 2 \cdot 35,5 = 111 \text{ г/моль}$

$M(MnO₂) = M(Mn) + 2 \cdot M(O) = 55 + 2 \cdot 16 = 87 \text{ г/моль}$

3. Определим количество вещества (моль) каждого из исходных реагентов:

$n(CaCl₂) = \frac{m(CaCl₂)}{M(CaCl₂)} = \frac{11,1 \text{ г}}{111 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

$n(MnO₂) = \frac{m(MnO₂)}{M(MnO₂)} = \frac{90 \text{ г}}{87 \text{ г/моль}} \approx 1,034 \text{ моль}$

4. Определим, какой из реагентов находится в недостатке (является лимитирующим). Согласно уравнению реакции, $CaCl₂$ и $MnO₂$ реагируют в мольном соотношении 1:1.

У нас есть 0,1 моль $CaCl₂$ и 1,034 моль $MnO₂$. Так как $0,1 < 1,034$, хлорид кальция находится в недостатке и прореагирует полностью. Дальнейшие расчеты ведем по нему.

5. Рассчитаем количество вещества хлора, которое образуется в реакции. По уравнению реакции, из 1 моль $CaCl₂$ образуется 1 моль $Cl₂$. Следовательно, их количества веществ соотносятся как 1:1.

$n(Cl₂) = n(CaCl₂) = 0,1 \text{ моль}$

6. Найдем объем образовавшегося хлора при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

$V(Cl₂) = n(Cl₂) \cdot V_m = 0,1 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 2,24 \text{ л}$

Ответ: объем образовавшегося хлора составляет 2,24 л.

7.6. При нагревании запаянной ампулы с бромидом железа (III) в ней наблюдается образование тёмно-красных паров. При понижении температуры окраска паров исчезает. Запишите уравнение реакции.

Решение

В задаче описан процесс, происходящий с бромидом железа(III) ($FeBr_3$) в запаянной ампуле при изменении температуры.

1. Нагревание. При нагревании наблюдается образование тёмно-красных паров. Это свидетельствует о химической реакции разложения исходного вещества. Галогениды железа(III), за исключением фторида, при нагревании термически неустойчивы и разлагаются на галогенид железа(II) и свободный галоген. В данном случае бромид железа(III) разлагается на бромид железа(II) и молекулярный бром:

$2FeBr_3 \rightarrow 2FeBr_2 + Br_2$

Бромид железа(III) ($FeBr_3$) и бромид железа(II) ($FeBr_2$) являются твёрдыми веществами. Образующийся молекулярный бром ($Br_2$) при повышенной температуре представляет собой газ (пар) тёмно-красного цвета, что соответствует наблюдению.

2. Охлаждение. При понижении температуры окраска паров исчезает. Это означает, что реакция протекает в обратном направлении: газообразный бром реагирует с твёрдым бромидом железа(II), снова образуя твёрдый бромид железа(III).

$2FeBr_2 + Br_2 \rightarrow 2FeBr_3$

Тот факт, что реакция протекает в прямом направлении при нагревании и в обратном при охлаждении, говорит о её обратимости. Обратимые реакции принято записывать с использованием знака обратимости ($ \rightleftharpoons $). Прямая реакция (разложение) является эндотермической (идёт с поглощением тепла), а обратная (синтез) — экзотермической (идёт с выделением тепла), что согласуется с принципом Ле Шателье.

Таким образом, итоговое уравнение обратимой реакции, учитывая агрегатные состояния веществ (тв. - твёрдое, г. - газообразное), имеет вид:

$2FeBr_{3(тв.)} \rightleftharpoons 2FeBr_{2(тв.)} + Br_{2(г)}$

Ответ: $2FeBr_3 \rightleftharpoons 2FeBr_2 + Br_2$

7.7. Почему хлорная вода на воздухе постепенно обесцвечивается? Запишите уравнение реакции.

Решение

Хлорная вода представляет собой водный раствор хлора, в котором устанавливается химическое равновесие. Хлор ($Cl_2$) частично реагирует с водой ($H_2O$), образуя соляную ($HCl$) и хлорноватистую ($HClO$) кислоты. Именно растворенный молекулярный хлор ($Cl_2$) придает раствору характерный желто-зеленый цвет.

Уравнение этой обратимой реакции:

$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO$

Хлорноватистая кислота ($HClO$) — соединение неустойчивое, особенно под действием света (в частности, ультрафиолетового излучения). Она медленно разлагается на соляную кислоту и атомарный кислород, который затем образует молекулярный кислород. Этот процесс является причиной сильных окислительных и отбеливающих свойств хлорной воды.

Уравнение реакции разложения хлорноватистой кислоты:

$2HClO \xrightarrow{h\nu} 2HCl + O_2 \uparrow$

Поскольку хлорноватистая кислота постоянно расходуется в процессе разложения, равновесие первой реакции (согласно принципу Ле Шателье) смещается вправо, в сторону образования продуктов. Это приводит к постепенному уменьшению концентрации молекулярного хлора ($Cl_2$) в растворе. Когда весь хлор прореагирует, раствор становится бесцветным.

Таким образом, обесцвечивание хлорной воды на воздухе (на свету) — это результат двух последовательных реакций, ключевой из которых является разложение хлорноватистой кислоты.

Суммарное уравнение, описывающее весь процесс разложения хлорной воды на свету, можно записать так:

$2Cl_2 + 2H_2O \xrightarrow{h\nu} 4HCl + O_2 \uparrow$

Ответ: Хлорная вода постепенно обесцвечивается на свету, потому что образующаяся в ней в результате реакции хлора с водой хлорноватистая кислота ($HClO$) является неустойчивой и разлагается. Это приводит к смещению химического равновесия и расходованию растворенного хлора ($Cl_2$), который придает воде цвет. Уравнение основной реакции, вызывающей обесцвечивание, — это разложение хлорноватистой кислоты: $2HClO \xrightarrow{h\nu} 2HCl + O_2 \uparrow$.

7.8. В 1 л минеральной воды Ессентуки-17 содержится 2500 мг хлорид-ионов. Какую массу поваренной соли нужно растворить в 1 л дистиллированной воды для достижения такой же концентрации хлорид-ионов? Плотность минеральной воды примите равной 1 г/мл.

Дано:

$V_{воды} = 1 \text{ л}$

$m(Cl^{-}) = 2500 \text{ мг}$

$V_{дист. воды} = 1 \text{ л}$

Поваренная соль - $NaCl$

Найти:

$m(NaCl) - ?$

Решение:

Чтобы достичь в дистиллированной воде такой же концентрации хлорид-ионов, как в минеральной, необходимо, чтобы в 1 л раствора содержалось 2500 мг ($2.5 \text{ г}$) хлорид-ионов. Источником этих ионов будет поваренная соль (хлорид натрия, $NaCl$).

При растворении в воде хлорид натрия диссоциирует на ионы:

$NaCl \rightarrow Na^{+} + Cl^{-}$

Из уравнения реакции следует, что 1 моль хлорида натрия образует 1 моль хлорид-ионов. Таким образом, их количества вещества соотносятся как 1:1.

$n(NaCl) = n(Cl^{-})$

Для дальнейших расчетов найдем молярные массы хлора и хлорида натрия.

Молярная масса хлора: $M(Cl) \approx 35.5 \text{ г/моль}$.

Молярная масса натрия: $M(Na) \approx 23 \text{ г/моль}$.

Молярная масса хлорида натрия: $M(NaCl) = M(Na) + M(Cl) = 23 + 35.5 = 58.5 \text{ г/моль}$.

Масса хлорид-ионов, которую нужно получить, составляет $m(Cl^{-}) = 2.5 \text{ г}$.

Вычислим количество вещества (в молях) для хлорид-ионов по формуле $n = m/M$:

$n(Cl^{-}) = \frac{m(Cl^{-})}{M(Cl)} = \frac{2.5 \text{ г}}{35.5 \text{ г/моль}}$

Так как $n(NaCl) = n(Cl^{-})$, количество вещества хлорида натрия, которое необходимо растворить, равно:

$n(NaCl) = \frac{2.5}{35.5} \text{ моль}$

Теперь, зная количество вещества и молярную массу $NaCl$, можно найти его массу по формуле $m = n \cdot M$:

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = \left( \frac{2.5}{35.5} \right) \text{ моль} \cdot 58.5 \text{ г/моль} \approx 4.1197 \text{ г}$

Округлим результат до сотых.

Плотность минеральной воды в этой задаче является избыточной информацией и для решения не используется.

Ответ: для достижения такой же концентрации хлорид-ионов необходимо растворить 4.12 г поваренной соли.

7.9. Найдите массовую долю соляной кислоты в растворе, образовавшемся при длительном стоянии воды, насыщенной хлором при 0 °C на свету. Растворимость хлора в воде при 0 °C составляет 1,48 г в 100 г воды.

Дано:

Растворимость $Cl_2$ в воде при 0 °C = 1,48 г на 100 г $H_2O$
Масса воды, $m(H_2O)$ = 100 г
Масса хлора, $m(Cl_2)$ = 1,48 г

Найти:

Массовую долю соляной кислоты, $\omega(HCl)$ — ?

Решение:

При растворении хлора в воде происходит обратимая реакция с образованием соляной ($HCl$) и хлорноватистой ($HOCl$) кислот. Полученный раствор называют хлорной водой.

$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HOCl$

На свету неустойчивая хлорноватистая кислота разлагается с выделением кислорода:

$2HOCl \xrightarrow{h\nu} 2HCl + O_2 \uparrow$

Разложение $HOCl$ смещает равновесие первой реакции вправо. Так как раствор стоял на свету длительное время, можно считать, что весь растворенный хлор полностью прореагировал. Суммарное уравнение процесса можно получить, сложив первое уравнение (предварительно умноженное на 2) и второе:

$2Cl_2 + 2H_2O \xrightarrow{h\nu} 4HCl + O_2 \uparrow$

Для расчетов возьмем за основу количество веществ, соответствующее насыщенному раствору: 100 г воды и 1,48 г растворенного в ней хлора.

Масса исходного насыщенного раствора:

$m_{исх. р-ра} = m(H_2O) + m(Cl_2) = 100 \text{ г} + 1,48 \text{ г} = 101,48 \text{ г}$

Рассчитаем молярные массы веществ, используя относительные атомные массы: Ar(Cl) = 35,5; Ar(H) = 1; Ar(O) = 16.

$M(Cl_2) = 2 \times 35,5 = 71 \text{ г/моль}$

$M(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 \text{ г/моль}$

$M(O_2) = 2 \times 16 = 32 \text{ г/моль}$

По суммарному уравнению реакции найдем массу образовавшейся соляной кислоты ($HCl$) и выделившегося кислорода ($O_2$), исходя из массы прореагировавшего хлора (1,48 г).

Масса образовавшейся $HCl$:

$m(HCl) = m(Cl_2) \cdot \frac{4 \cdot M(HCl)}{2 \cdot M(Cl_2)} = 1,48 \text{ г} \cdot \frac{4 \cdot 36,5 \text{ г/моль}}{2 \cdot 71 \text{ г/моль}} = 1,48 \cdot \frac{146}{142} \approx 1,5217 \text{ г}$

Масса выделившегося кислорода, который является газом и покидает раствор:

$m(O_2) = m(Cl_2) \cdot \frac{M(O_2)}{2 \cdot M(Cl_2)} = 1,48 \text{ г} \cdot \frac{32 \text{ г/моль}}{2 \cdot 71 \text{ г/моль}} = 1,48 \cdot \frac{32}{142} \approx 0,3335 \text{ г}$

Масса конечного раствора равна массе исходного раствора за вычетом массы улетевшего кислорода:

$m_{кон. р-ра} = m_{исх. р-ра} - m(O_2) = 101,48 \text{ г} - 0,3335 \text{ г} = 101,1465 \text{ г}$

Массовая доля соляной кислоты в конечном растворе вычисляется по формуле:

$\omega(HCl) = \frac{m(HCl)}{m_{кон. р-ра}} \cdot 100\% = \frac{1,5217 \text{ г}}{101,1465 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 1,5044\%$

С учетом точности исходных данных (3 значащие цифры в массе хлора), результат следует округлить до сотых долей процента.

Ответ: массовая доля соляной кислоты в растворе составляет 1,50%.

7.10. При действии нитрата серебра на 2,66 г смеси хлорида натрия и хлорида калия получено 5,74 г осадка. Найдите состав смеси в массовых процентах.

Дано:

$m(смеси\ NaCl + KCl) = 2,66 \text{ г}$

$m(осадка\ AgCl) = 5,74 \text{ г}$

Найти:

$\omega(NaCl) - ?$

$\omega(KCl) - ?$

Решение:

При добавлении раствора нитрата серебра к смеси хлорида натрия и хлорида калия протекают следующие реакции обмена, в результате которых образуется нерастворимый в воде и кислотах белый осадок хлорида серебра:

$NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$

$KCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + KNO_3$

Весь полученный осадок представляет собой хлорид серебра ($AgCl$).

Рассчитаем молярные массы веществ, необходимые для решения задачи:

$M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 \text{ г/моль}$

$M(KCl) = 39 + 35,5 = 74,5 \text{ г/моль}$

$M(AgCl) = 108 + 35,5 = 143,5 \text{ г/моль}$

Для решения задачи составим систему уравнений. Пусть в исходной смеси содержалось $x \text{ моль}$ хлорида натрия ($NaCl$) и $y \text{ моль}$ хлорида калия ($KCl$).

Тогда массы компонентов смеси можно выразить как:

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = 58,5x \text{ г}$

$m(KCl) = n(KCl) \cdot M(KCl) = 74,5y \text{ г}$

Общая масса смеси составляет 2,66 г, что позволяет составить первое уравнение:

$58,5x + 74,5y = 2,66$ (1)

Согласно уравнениям реакций, из $x \text{ моль } NaCl$ образуется $x \text{ моль } AgCl$, а из $y \text{ моль } KCl$ образуется $y \text{ моль } AgCl$.

Общее количество вещества ($n$) осадка $AgCl$ равно сумме количеств веществ исходных хлоридов:

$n(AgCl) = x + y$

Зная массу осадка (5,74 г), найдем его общее количество вещества:

$n(AgCl) = \frac{m(AgCl)}{M(AgCl)} = \frac{5,74 \text{ г}}{143,5 \text{ г/моль}} = 0,04 \text{ моль}$

Это дает нам второе уравнение:

$x + y = 0,04$ (2)

Теперь решим систему из двух уравнений с двумя неизвестными:

$\begin{cases} 58,5x + 74,5y = 2,66 \\ x + y = 0,04 \end{cases}$

Из второго уравнения выразим $x$: $x = 0,04 - y$.

Подставим это выражение в первое уравнение:

$58,5(0,04 - y) + 74,5y = 2,66$

$2,34 - 58,5y + 74,5y = 2,66$

$16y = 2,66 - 2,34$

$16y = 0,32$

$y = \frac{0,32}{16} = 0,02 \text{ моль}$

Теперь найдем значение $x$:

$x = 0,04 - y = 0,04 - 0,02 = 0,02 \text{ моль}$

Таким образом, в исходной смеси содержалось $0,02 \text{ моль } NaCl$ и $0,02 \text{ моль } KCl$.

Вычислим массы этих веществ:

$m(NaCl) = x \cdot M(NaCl) = 0,02 \text{ моль} \cdot 58,5 \text{ г/моль} = 1,17 \text{ г}$

$m(KCl) = y \cdot M(KCl) = 0,02 \text{ моль} \cdot 74,5 \text{ г/моль} = 1,49 \text{ г}$

Проверка: $m(смеси) = 1,17 \text{ г} + 1,49 \text{ г} = 2,66 \text{ г}$. Расчеты верны.

Наконец, определим состав смеси в массовых процентах ($\omega$):

$\omega(NaCl) = \frac{m(NaCl)}{m(смеси)} \cdot 100\% = \frac{1,17 \text{ г}}{2,66 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 43,98\%$

$\omega(KCl) = \frac{m(KCl)}{m(смеси)} \cdot 100\% = \frac{1,49 \text{ г}}{2,66 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 56,02\%$

Ответ: Массовая доля хлорида натрия в смеси составляет 43,98%, массовая доля хлорида калия – 56,02%.

7.11. В лаборатории для получения хлора прибегают к нагреванию смеси гидросульфата натрия, оксида марганца (IV) и хлорида натрия. Какие количества реагентов следует взять для получения 1 л хлора (н. у.)? Чем будет загрязнён хлор, если при проведении реакции оксид марганца взяли в недостатке?

Какие количества реагентов следует взять для получения 1 л хлора (н. у.)?

Дано:

$V(Cl_2) = 1$ л
Условия: н. у. (нормальные условия)
Молярный объем газа при н. у. $V_m = 22.4$ л/моль

Найти:

$n(NaCl)$ - ?
$n(MnO_2)$ - ?
$n(NaHSO_4)$ - ?
$m(NaCl)$ - ?
$m(MnO_2)$ - ?
$m(NaHSO_4)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции. В этой реакции гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) выступает в роли кислотного реагента, а оксид марганца(IV) ($MnO_2$) — в роли окислителя хлорид-ионов из $NaCl$.

$2NaCl + MnO_2 + 4NaHSO_4 \xrightarrow{t} Cl_2\uparrow + MnSO_4 + 3Na_2SO_4 + 2H_2O$

2. Найдем количество вещества хлора ($Cl_2$) объемом 1 л при нормальных условиях.

$n(Cl_2) = \frac{V(Cl_2)}{V_m} = \frac{1 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.0446 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, для получения 1 моль $Cl_2$ требуется 2 моль $NaCl$, 1 моль $MnO_2$ и 4 моль $NaHSO_4$. Рассчитаем количества веществ реагентов для получения 0.0446 моль $Cl_2$.

$n(NaCl) = 2 \cdot n(Cl_2) = 2 \cdot 0.0446 \text{ моль} \approx 0.0892 \text{ моль}$

$n(MnO_2) = 1 \cdot n(Cl_2) = 0.0446 \text{ моль}$

$n(NaHSO_4) = 4 \cdot n(Cl_2) = 4 \cdot 0.0446 \text{ моль} \approx 0.1784 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массы необходимых реагентов. Для этого найдем их молярные массы (используя округленные атомные массы: Na - 23, Cl - 35.5, Mn - 55, O - 16, H - 1, S - 32):

$M(NaCl) = 23 + 35.5 = 58.5$ г/моль

$M(MnO_2) = 55 + 2 \cdot 16 = 87$ г/моль

$M(NaHSO_4) = 23 + 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 120$ г/моль

Теперь рассчитаем массы:

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = 0.0892 \text{ моль} \cdot 58.5 \text{ г/моль} \approx 5.22 \text{ г}$

$m(MnO_2) = n(MnO_2) \cdot M(MnO_2) = 0.0446 \text{ моль} \cdot 87 \text{ г/моль} \approx 3.88 \text{ г}$

$m(NaHSO_4) = n(NaHSO_4) \cdot M(NaHSO_4) = 0.1784 \text{ моль} \cdot 120 \text{ г/моль} \approx 21.41 \text{ г}$

Ответ: для получения 1 л хлора следует взять 0.0892 моль (около 5.22 г) хлорида натрия, 0.0446 моль (около 3.88 г) оксида марганца(IV) и 0.1784 моль (около 21.41 г) гидросульфата натрия.

Чем будет загрязнён хлор, если при проведении реакции оксид марганца взяли в недостатке?

Если оксид марганца(IV) ($MnO_2$), который является окислителем, взят в недостатке, то он прореагирует полностью, а другие реагенты — хлорид натрия ($NaCl$) и гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) — останутся в избытке. При нагревании эти избыточные вещества вступают в побочную реакцию:

$NaCl(тв) + NaHSO_4(тв) \xrightarrow{t} Na_2SO_4(тв) + HCl(г)\uparrow$

В результате этой реакции выделяется газообразный хлороводород ($HCl$). Так как и хлор, и хлороводород являются газами, $HCl$ будет смешиваться с получаемым хлором, загрязняя его.

Ответ: хлор будет загрязнён хлороводородом ($HCl$).

7.12. Какой объём хлора удастся получить действием соляной кислоты на бертолетову соль массой 24,5 г?

Дано:

Масса бертолетовой соли ($ \text{KClO}_3 $) $m = 24,5 \text{ г}$

$m = 0,0245 \text{ кг}$

Найти:

Объём хлора $ V(\text{Cl}_2) $ - ?

Решение:

1. Запишем сбалансированное уравнение химической реакции взаимодействия бертолетовой соли (хлората калия, $ \text{KClO}_3 $) с концентрированной соляной кислотой ($ \text{HCl} $). В ходе этой окислительно-восстановительной реакции образуются хлорид калия ($ \text{KCl} $), газообразный хлор ($ \text{Cl}_2 $) и вода ($ \text{H}_2\text{O} $).

$ \text{KClO}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow \text{KCl} + 3\text{Cl}_2 \uparrow + 3\text{H}_2\text{O} $

2. Вычислим молярную массу бертолетовой соли ($ \text{KClO}_3 $). Для этого используем относительные атомные массы элементов: $ Ar(\text{K}) \approx 39 $, $ Ar(\text{Cl}) \approx 35,5 $, $ Ar(\text{O}) \approx 16 $.

$ M(\text{KClO}_3) = 39 + 35,5 + 3 \cdot 16 = 122,5 \text{ г/моль} $

3. Теперь найдем количество вещества (число молей) бертолетовой соли в исходной массе 24,5 г, используя формулу $ n = m/M $:

$ n(\text{KClO}_3) = \frac{m(\text{KClO}_3)}{M(\text{KClO}_3)} = \frac{24,5 \text{ г}}{122,5 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль} $

4. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $ \text{KClO}_3 $ образуется 3 моль $ \text{Cl}_2 $. Используя это стехиометрическое соотношение, найдем количество вещества хлора, которое выделится в результате реакции:

$ \frac{n(\text{KClO}_3)}{1} = \frac{n(\text{Cl}_2)}{3} $

$ n(\text{Cl}_2) = 3 \cdot n(\text{KClO}_3) = 3 \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль} $

5. Наконец, рассчитаем объём полученного хлора. Так как в условии задачи не указаны температура и давление, будем считать, что газ находится при нормальных условиях (н.у.). При нормальных условиях молярный объём любого идеального газа ($ V_m $) принимается равным 22,4 л/моль.

$ V(\text{Cl}_2) = n(\text{Cl}_2) \cdot V_m = 0,6 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 13,44 \text{ л} $

Ответ: объём хлора, который удастся получить, составляет 13,44 л.

7.13. Через стеклянную трубку с двумя шариками пропускают хлороводород. Левый шарик заполнен оксидом марганца (IV). В ходе реакции левый шарик нагревают. В правом шарике наблюдают образование жидкости. Что это за жидкость? Какую окраску она имеет? Как изменяется окраска фиолетового раствора лакмуса в ходе протекания реакции?

В левом шарике протекает реакция получения хлора в лабораторных условиях путем окисления хлороводорода оксидом марганца(IV) при нагревании. Уравнение реакции:

$4HCl_{ (газ) } + MnO_{2 (тв)} \xrightarrow{t} MnCl_2_{ (тв) } + Cl_{2 (газ) } + 2H_2O_{ (пар) }$

В результате реакции образуются газообразные продукты – хлор ($Cl_2$) и пары воды ($H_2O$), а также, возможно, непрореагировавший хлороводород ($HCl$). Эта газовая смесь поступает в следующий шарик.

Что это за жидкость?

Правый шарик не нагревается, он имеет более низкую температуру, чем левый. Когда горячая газовая смесь, состоящая из паров воды, хлора и непрореагировавшего хлороводорода, попадает в более холодный правый шарик, пары воды конденсируются, образуя жидкую воду. В этой воде растворяются поступающие газы: хлор и хлороводород. Таким образом, образующаяся жидкость – это водный раствор хлора и хлороводорода (соляной кислоты). Такой раствор часто называют хлорной водой.

Ответ: Жидкость в правом шарике – это вода с растворенными в ней хлором ($Cl_2$) и хлороводородом ($HCl$).

Какую окраску она имеет?

Сам по себе хлор – это газ желто-зеленого цвета. При растворении в воде он придает ей характерную окраску. Поэтому жидкость в правом шарике будет иметь желтоватый или желто-зеленый оттенок.

Ответ: Жидкость имеет желто-зеленую окраску.

Как изменяется окраска фиолетового раствора лакмуса в ходе протекания реакции?

Газы, не сконденсировавшиеся в правом шарике (в основном, хлор и избыток хлороводорода), поступают в колбу с раствором лакмуса. Происходят следующие процессы:

1. Хлороводород, растворяясь в воде, образует соляную кислоту. Хлор, в свою очередь, реагирует с водой, образуя две кислоты – соляную ($HCl$) и хлорноватистую ($HOCl$):
   $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HOCl$
2. Обе кислоты ($HCl$ и $HOCl$) создают кислую среду в растворе, в результате чего фиолетовый лакмус изменит свою окраску на красную.
3. Однако хлорноватистая кислота ($HOCl$) является сильным окислителем и обладает отбеливающими свойствами. Она окисляет органический краситель лакмус, разрушая его структуру. В результате этого раствор обесцвечивается.

Таким образом, наблюдается последовательное изменение окраски: сначала раствор станет красным, а затем обесцветится.

Ответ: Фиолетовый раствор лакмуса сначала покраснеет из-за образования кислот, а затем обесцветится вследствие отбеливающего действия хлорноватистой кислоты.