Страница 197 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.43. Как получить бромоводород, имея в распоряжении бром, красный фосфор и воду? Запишите уравнения реакций.

Решение

Для получения бромоводорода ($HBr$), имея в распоряжении бром ($Br_2$), красный фосфор ($P$) и воду ($H_2O$), используют метод, основанный на гидролизе бромида фосфора. Процесс протекает в две стадии, которые на практике часто совмещают.

Сначала красный фосфор реагирует с бромом, образуя бромид фосфора(III) ($PBr_3$). Эта реакция экзотермична.

Уравнение первой реакции:

$2P + 3Br_2 \rightarrow 2PBr_3$

Затем полученный бромид фосфора(III) немедленно вступает в реакцию с водой (гидролизуется). В результате этой реакции образуется бромоводород, который выделяется в виде газа, и фосфористая кислота ($H_3PO_3$).

Уравнение второй реакции (гидролиз):

$PBr_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HBr \uparrow$

Обычно этот синтез проводят, медленно приливая бром к смеси красного фосфора и воды. Это позволяет контролировать реакцию и обеспечивает немедленный гидролиз образующегося $PBr_3$.

Суммарное уравнение, объединяющее обе стадии, выглядит так:

$2P + 3Br_2 + 6H_2O \rightarrow 2H_3PO_3 + 6HBr \uparrow$

Ответ: Бромоводород получают взаимодействием брома с красным фосфором в присутствии воды. Процесс описывается двумя последовательными реакциями: сначала образуется бромид фосфора(III), который затем гидролизуется водой. Уравнения реакций:
$2P + 3Br_2 \rightarrow 2PBr_3$
$PBr_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HBr$

7.44. Смесь бромоводорода и хлороводорода объёмом 4,48 л (н. у.) растворили в воде. К полученному раствору добавили избыток нитрата серебра. Выпал осадок массой 33,15 г. Найдите объёмные доли газов в смеси.

Дано:

$V(\text{смеси HBr и HCl}) = 4,48$ л (н. у.)

$m(\text{осадка}) = 33,15$ г

Найти:

$φ(\text{HBr}) - ?$

$φ(\text{HCl}) - ?$

Решение:

При растворении бромоводорода ($HBr$) и хлороводорода ($HCl$) в воде образуются соответственно бромоводородная и соляная кислоты. Эти кислоты реагируют с нитратом серебра ($AgNO_3$) с образованием нерастворимых осадков — бромида серебра ($AgBr$) и хлорида серебра ($AgCl$).

Уравнения протекающих реакций:

$HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$ (1)

$HBr + AgNO_3 \rightarrow AgBr \downarrow + HNO_3$ (2)

1. Найдем общее количество вещества ($n$) газов в исходной смеси. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем газов ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.

$n(\text{смеси}) = \frac{V(\text{смеси})}{V_m} = \frac{4,48 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,2$ моль.

2. Составим систему уравнений для нахождения количеств веществ каждого газа. Пусть в смеси содержится $x$ моль $HCl$ и $y$ моль $HBr$.

Первое уравнение системы составим исходя из общего количества вещества газов:

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

3. Второе уравнение составим на основе массы выпавшего осадка, который является смесью $AgCl$ и $AgBr$.

Согласно уравнениям реакций (1) и (2), количество вещества каждого осадка равно количеству вещества соответствующей кислоты:

$n(AgCl) = n(HCl) = x$ моль

$n(AgBr) = n(HBr) = y$ моль

Рассчитаем молярные массы ($M$) осадков, используя относительные атомные массы: $Ar(Ag) = 108$, $Ar(Cl) = 35,5$, $Ar(Br) = 80$.

$M(AgCl) = 108 + 35,5 = 143,5$ г/моль

$M(AgBr) = 108 + 80 = 188$ г/моль

Общая масса осадка равна сумме масс $AgCl$ и $AgBr$:

$m(\text{осадка}) = m(AgCl) + m(AgBr) = n(AgCl) \cdot M(AgCl) + n(AgBr) \cdot M(AgBr)$

Подставим значения и переменные, получив второе уравнение системы:

$143,5x + 188y = 33,15$ (II)

4. Решим полученную систему уравнений:

$\begin{cases} x + y = 0,2 \\ 143,5x + 188y = 33,15 \end{cases}$

Из уравнения (I) выразим $x$: $x = 0,2 - y$.

Подставим это выражение в уравнение (II):

$143,5(0,2 - y) + 188y = 33,15$

$28,7 - 143,5y + 188y = 33,15$

$44,5y = 33,15 - 28,7$

$44,5y = 4,45$

$y = \frac{4,45}{44,5} = 0,1$ моль. Таким образом, $n(HBr) = 0,1$ моль.

Теперь найдем $x$:

$x = 0,2 - y = 0,2 - 0,1 = 0,1$ моль. Таким образом, $n(HCl) = 0,1$ моль.

5. Найдем объёмные доли ($φ$) газов в смеси. Для газов при одинаковых условиях объемная доля равна мольной доле.

$φ(\text{газа}) = \frac{n(\text{газа})}{n(\text{смеси})}$

$φ(HCl) = \frac{n(HCl)}{n(\text{смеси})} = \frac{0,1 \text{ моль}}{0,2 \text{ моль}} = 0,5$

$φ(HBr) = \frac{n(HBr)}{n(\text{смеси})} = \frac{0,1 \text{ моль}}{0,2 \text{ моль}} = 0,5$

Для выражения в процентах умножим на 100%.

$φ(HCl) = 0,5 \cdot 100\% = 50\%$

$φ(HBr) = 0,5 \cdot 100\% = 50\%$

Ответ: объёмная доля бромоводорода в смеси составляет 50%, объёмная доля хлороводорода — 50%.

7.45. Почему иодная вода темнеет при добавлении в неё иодида натрия?

Решение

Иодная вода — это водный раствор молекулярного иода ($I_2$). Молекулы иода ($I_2$) неполярны, поэтому они очень плохо растворяются в полярном растворителе, каким является вода. В результате образуется слабоконцентрированный раствор, имеющий светло-коричневую или желтоватую окраску.

При добавлении в этот раствор иодида натрия ($NaI$), который является солью и хорошо растворим в воде, происходит его диссоциация на ионы натрия ($Na^+$) и иодид-ионы ($I^−$).

Иодид-ионы ($I^−$) вступают в реакцию с молекулами иода ($I_2$), образуя комплексный трииодид-ион ($I_3^−$). Эта реакция является обратимой:

$I_2 \text{ (слабо растворим)} + I^− \rightleftharpoons I_3^− \text{ (хорошо растворим)}$

Трииодид-ион ($I_3^−$) не только гораздо лучше растворим в воде, чем молекулярный иод, но и имеет значительно более интенсивную тёмно-коричневую окраску. Таким образом, добавление иодида натрия позволяет растворить больше иода в виде трииодид-ионов, что приводит к увеличению концентрации окрашенных частиц в растворе и, как следствие, к его потемнению.

Ответ: Иодная вода темнеет при добавлении иодида натрия из-за образования хорошо растворимого и интенсивно окрашенного в тёмно-коричневый цвет трииодид-иона ($I_3^−$) в результате реакции молекулярного иода ($I_2$) с иодид-ионами ($I^−$).

7.46. С какой целью для получения спиртовой настойки иода в неё добавляют иодид калия?

Решение

Спиртовая настойка иода — это раствор кристаллического иода ($I_2$) в водно-спиртовой смеси. Молекулярный иод ($I_2$) является неполярным веществом и плохо растворяется в полярных растворителях, к которым относятся вода и этанол. Чтобы увеличить концентрацию иода в растворе и сделать его более стабильным, добавляют иодид калия ($KI$).

Иодид калия, будучи ионным соединением, хорошо растворяется и диссоциирует на ионы калия ($K^+$) и иодид-ионы ($I^-$). Иодид-ионы реагируют с молекулами иода, образуя комплексный трииодид-ион ($I_3^-$), который, в свою очередь, очень хорошо растворим в полярных растворителях.

Реакция образования трииодид-иона выглядит следующим образом: $$I_2 + I^- \rightleftharpoons [I_3]^-$$

Эта реакция позволяет "перевести" малорастворимый молекулярный иод в хорошо растворимую ионную форму. Таким образом, добавление иодида калия решает две основные задачи:

1. Значительно повышает растворимость иода, позволяя создать раствор необходимой концентрации.
2. Стабилизирует раствор, предотвращая выпадение кристаллов иода в осадок при хранении или понижении температуры, а также уменьшает летучесть иода.

Ответ: Иодид калия добавляют для увеличения растворимости молекулярного иода ($I_2$) в водно-спиртовом растворителе и для стабилизации полученного раствора за счёт образования хорошо растворимого комплексного трииодид-иона ($[I_3]^-$).

7.47. Через бромную воду пропустили неизвестный газ. Окраска раствора уси-лилась. Назовите газ. Запишите уравнение реакции.

Решение

Бромная вода — это водный раствор молекулярного брома ($Br_2$), который имеет характерную желто-бурую или оранжевую окраску. Интенсивность окраски зависит от концентрации брома в растворе.

Согласно условию задачи, при пропускании неизвестного газа через бромную воду окраска раствора усилилась. Это означает, что концентрация молекулярного брома ($Br_2$) в растворе увеличилась. Такое возможно только в том случае, если неизвестный газ вступил в химическую реакцию, в результате которой образовался дополнительный бром.

В бромной воде бром частично реагирует с водой, образуя бромоводородную ($HBr$) и бромноватистую ($HBrO$) кислоты. Эта реакция обратима:

$Br_2 + H_2O \rightleftharpoons HBr + HBrO$

Таким образом, в растворе присутствуют бромид-ионы ($Br^-$) из бромоводородной кислоты. Чтобы из них образовался молекулярный бром ($Br_2$), необходим окислитель, более сильный, чем сам бром. Реакция окисления бромид-ионов выглядит так:

$2Br^- - 2e^- \rightarrow Br_2$

В ряду галогенов окислительная способность уменьшается от фтора к иоду: $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$. Это означает, что более активный галоген, расположенный выше в периодической таблице, может вытеснять менее активный галоген из его соединений (в данном случае из кислоты).

Хлор ($Cl_2$) — это газ, который является более сильным окислителем, чем бром ($Br_2$). При пропускании хлора через бромную воду он будет окислять бромид-ионы (из $HBr$) до свободного брома.

Уравнение реакции вытеснения брома хлором:

$Cl_2 + 2HBr \rightarrow 2HCl + Br_2$

В результате этой реакции в растворе образуется дополнительное количество брома, что и вызывает усиление его окраски. Следовательно, неизвестный газ — это хлор.

Ответ: Неизвестный газ — хлор ($Cl_2$). Уравнение реакции: $Cl_2 + 2HBr \rightarrow 2HCl + Br_2$.

7.48. Через бромную воду пропустили неизвестный газ. Раствор обесцветился. Назовите газ. Запишите уравнение реакции.

Решение
Бромная вода — это водный раствор брома ($Br_2$), который имеет характерную желто-бурую окраску. Наблюдаемое обесцвечивание раствора говорит о том, что молекулярный бром вступил в химическую реакцию и был полностью израсходован.
Реакция с бромной водой является качественной пробой на ненасыщенные соединения, то есть на вещества, в молекулах которых есть кратные (двойные или тройные) углерод-углеродные связи. Также обесцвечивать бромную воду могут некоторые газы-восстановители.
Наиболее распространенным примером газа, который подходит под описание, является ненасыщенный углеводород, например, этен (этилен, $C_2H_4$). Этен — это газ, который легко вступает в реакцию присоединения с бромом.
В ходе этой реакции происходит разрыв двойной связи в молекуле этена и присоединение атомов брома. Продукт реакции — 1,2-дибромэтан — является бесцветным соединением, что и объясняет исчезновение окраски раствора.
Уравнение реакции выглядит следующим образом:
$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$
этен + бром $\rightarrow$ 1,2-дибромэтан

Стоит отметить, что и другие газы могут вызывать такой же эффект, например:
- Ацетилен (этин, $C_2H_2$): $CH\equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2-CHBr_2$
- Сернистый газ (диоксид серы, $SO_2$): $SO_2 + Br_2 + 2H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 2HBr$
- Сероводород ($H_2S$): $H_2S + Br_2 \rightarrow S\downarrow + 2HBr$

Однако, в рамках стандартного курса химии, наиболее ожидаемым ответом является этен.
Ответ: Неизвестный газ — это этен (этилен). Уравнение реакции: $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$.

7.49. Почему иодоводородная кислота при хранении на воздухе темнеет? Запишите уравнение реакции.

Решение

Иодоводородная кислота ($HI$) является сильным восстановителем, особенно в присутствии окислителей. При хранении на воздухе, особенно на свету, она вступает в реакцию с кислородом ($O_2$), который является окислителем. В ходе этой окислительно-восстановительной реакции иодид-ионы ($I^−$) окисляются до молекулярного иода ($I_2$).

Сама по себе иодоводородная кислота является бесцветной жидкостью. Однако образующийся в результате реакции свободный иод ($I_2$) имеет характерную окраску. В водных растворах иод придает жидкости желтоватый, коричневый или бурый цвет, в зависимости от его концентрации. По мере протекания реакции концентрация иода в растворе увеличивается, что и приводит к постепенному потемнению кислоты.

Уравнение реакции окисления иодоводородной кислоты кислородом воздуха выглядит следующим образом:

$4HI + O_2 \rightarrow 2I_2 + 2H_2O$

В данной реакции степень окисления иода повышается с -1 до 0 (происходит окисление), а степень окисления кислорода понижается с 0 до -2 (происходит восстановление).

Ответ: Иодоводородная кислота темнеет при хранении на воздухе, так как она окисляется содержащимся в воздухе кислородом с образованием молекулярного иода ($I_2$), который при растворении придает кислоте бурый цвет. Уравнение реакции: $4HI + O_2 \rightarrow 2I_2 + 2H_2O$.

7.50. Сравните действие иодоводородной и хлороводородной кислот на гидроксид железа(III). Запишите уравнения реакций.

Гидроксид железа(III), $Fe(OH)_3$, является слабым основанием. Хлороводородная ($HCl$) и иодоводородная ($HI$) кислоты являются сильными кислотами. Однако их взаимодействие с $Fe(OH)_3$ происходит по-разному из-за различных окислительно-восстановительных свойств их анионов ($Cl^-$ и $I^-$).

Действие хлороводородной кислоты

Хлороводородная кислота вступает с гидроксидом железа(III) в типичную реакцию нейтрализации (ионного обмена). В этой реакции ион $Fe^{3+}$ не меняет свою степень окисления, а хлорид-ион $Cl^-$ не проявляет восстановительных свойств. Продуктами реакции являются соль — хлорид железа(III) — и вода.

Уравнение реакции:

$$Fe(OH)_3 + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$$

Действие иодоводородной кислоты

Иодоводородная кислота, в отличие от хлороводородной, является сильным восстановителем за счет иодид-иона $I^-$. Ион железа(III), $Fe^{3+}$, является окислителем. Поэтому при их взаимодействии протекает не просто реакция нейтрализации, а окислительно-восстановительная реакция. Ион $Fe^{3+}$ восстанавливается до $Fe^{2+}$, а иодид-ион $I^-$ окисляется до свободного иода $I_2$.

Таким образом, иодоводородная кислота проявляет двойственную функцию: и как кислота (нейтрализуя $OH^-$ группы), и как восстановитель.

Электронный баланс этой окислительно-восстановительной реакции выглядит следующим образом:

$Fe^{3+} + 1e^- \rightarrow Fe^{2+}$ | $\times2$ (восстановление, окислитель)
$2I^{-} - 2e^- \rightarrow I_2^0$ | $\times1$ (окисление, восстановитель)

Суммарное уравнение реакции, где образуются иодид железа(II), свободный иод и вода:

$$2Fe(OH)_3 + 6HI \rightarrow 2FeI_2 + I_2 + 6H_2O$$

Ответ: Основное различие в действии этих кислот на гидроксид железа(III) заключается в том, что хлороводородная кислота участвует в реакции ионного обмена (нейтрализации), не изменяя степень окисления железа ($Fe(OH)_3 + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$). Иодоводородная кислота же, являясь сильным восстановителем, вступает в окислительно-восстановительную реакцию, восстанавливая железо(III) до железа(II) ($2Fe(OH)_3 + 6HI \rightarrow 2FeI_2 + I_2 + 6H_2O$).

7.51. Твёрдый иодат калия обладает окислительными свойствами, подобно хлорату калия. Запишите уравнения реакций йодата калия с соляной кислотой, фосфором, серой.

Иодат калия ($KIO_3$) является сильным окислителем, поскольку содержит йод в высшей степени окисления +5. Его окислительные свойства, подобные свойствам хлората калия, проявляются в реакциях с различными восстановителями, особенно в кислой среде или при нагревании.

с соляной кислотой

При взаимодействии твёрдого иодата калия с концентрированной соляной кислотой ($HCl$) происходит окислительно-восстановительная реакция. Иодат-ион ($IO_3^−$) окисляет хлорид-ионы ($Cl^−$) до свободного хлора ($Cl_2$), а сам восстанавливается до свободного йода ($I_2$).

Составим электронный баланс:

$2I^{+5} + 10e^− \rightarrow I_2^0$ | 1 (процесс восстановления)

$2Cl^{−1} - 2e^− \rightarrow Cl_2^0$ | 5 (процесс окисления)

На основе баланса составляем уравнение реакции. Реакция протекает в концентрированной кислоте:

$2KIO_3 + 12HCl_{\text{(конц.)}} \rightarrow 2KCl + I_2 + 5Cl_2 \uparrow + 6H_2O$

Ответ: $2KIO_3 + 12HCl \rightarrow 2KCl + I_2 + 5Cl_2 + 6H_2O$.

с фосфором

Реакция твёрдого иодата калия с фосфором ($P$), обычно красным, происходит при нагревании и может быть взрывоопасной. Иодат калия ($I^{+5}$) окисляет фосфор ($P^0$) до его высшего оксида — оксида фосфора(V) ($P_2O_5$), в котором фосфор имеет степень окисления +5. Сам йод восстанавливается до иодида ($I^{-1}$) в составе иодида калия ($KI$).

Составим электронный баланс:

$I^{+5} + 6e^− \rightarrow I^{−1}$ | 5 (процесс восстановления)

$2P^0 - 10e^− \rightarrow 2P^{+5}$ | 3 (процесс окисления)

Сбалансированное уравнение реакции, протекающей при нагревании:

$5KIO_3 + 6P \xrightarrow{t} 5KI + 3P_2O_5$

Ответ: $5KIO_3 + 6P \rightarrow 5KI + 3P_2O_5$.

с серой

При нагревании иодат калия энергично реагирует с серой ($S$). В этой реакции $KIO_3$ выступает в роли окислителя, а сера — в роли восстановителя. Сера ($S^0$) окисляется до диоксида серы ($SO_2$), где её степень окисления +4. Йод ($I^{+5}$) восстанавливается до иодида ($I^{-1}$) с образованием иодида калия ($KI$).

Составим электронный баланс:

$I^{+5} + 6e^− \rightarrow I^{−1}$ | 2 (процесс восстановления)

$S^0 - 4e^− \rightarrow S^{+4}$ | 3 (процесс окисления)

Сбалансированное уравнение реакции, протекающей при нагревании:

$2KIO_3 + 3S \xrightarrow{t} 2KI + 3SO_2 \uparrow$

Ответ: $2KIO_3 + 3S \rightarrow 2KI + 3SO_2$.

7.52. Хлор, полученный взаимодействием 47,4 г перманганата калия с избытком концентрированной соляной кислоты, пропустили через 500 мл горячего 20%-го раствора гидроксида натрия (плотность 1,2 г/мл). Найдите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

$m(KMnO_4) = 47,4$ г
$V(р-ра \; NaOH) = 500$ мл
$\omega(NaOH) = 20\% = 0,2$
$\rho(р-ра \; NaOH) = 1,2$ г/мл
$HCl$ - в избытке
Раствор $NaOH$ - горячий

Найти:

$\omega(веществ)$ в конечном растворе - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции получения хлора взаимодействием перманганата калия с концентрированной соляной кислотой:

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2 \uparrow + 8H_2O$

2. Рассчитаем количество вещества перманганата калия и количество полученного хлора. Соляная кислота дана в избытке, поэтому расчет ведем по $KMnO_4$.

Молярная масса перманганата калия:

$M(KMnO_4) = 39 + 55 + 4 \cdot 16 = 158$ г/моль

Количество вещества $KMnO_4$:

$n(KMnO_4) = \frac{m(KMnO_4)}{M(KMnO_4)} = \frac{47,4 \; г}{158 \; г/моль} = 0,3$ моль

По уравнению реакции из 2 моль $KMnO_4$ образуется 5 моль $Cl_2$. Найдем количество вещества хлора:

$n(Cl_2) = \frac{5}{2} \cdot n(KMnO_4) = \frac{5}{2} \cdot 0,3 \; моль = 0,75$ моль

3. Запишем уравнение реакции хлора с горячим раствором гидроксида натрия. Это реакция диспропорционирования:

$3Cl_2 + 6NaOH \rightarrow 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O$

4. Рассчитаем количество вещества гидроксида натрия в исходном растворе.

Масса раствора гидроксида натрия:

$m(р-ра \; NaOH) = V(р-ра \; NaOH) \cdot \rho(р-ра \; NaOH) = 500 \; мл \cdot 1,2 \; г/мл = 600$ г

Масса чистого гидроксида натрия в растворе:

$m(NaOH) = m(р-ра \; NaOH) \cdot \omega(NaOH) = 600 \; г \cdot 0,2 = 120$ г

Молярная масса гидроксида натрия:

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40$ г/моль

Количество вещества $NaOH$:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{120 \; г}{40 \; г/моль} = 3$ моль

5. Определим, какое из веществ ($Cl_2$ или $NaOH$) находится в недостатке. По уравнению реакции соотношение $n(Cl_2) : n(NaOH) = 3:6 = 1:2$.

Для реакции с 0,75 моль $Cl_2$ требуется:

$n_{требуемый}(NaOH) = 2 \cdot n(Cl_2) = 2 \cdot 0,75 = 1,5$ моль

Поскольку в наличии имеется 3 моль $NaOH$ ($3 > 1,5$), гидроксид натрия находится в избытке. Расчет продуктов реакции ведем по хлору, который прореагирует полностью.

6. Рассчитаем массы веществ в конечном растворе.

Количество прореагировавшего $NaOH$:

$n_{прореаг.}(NaOH) = 1,5$ моль

Количество оставшегося (избыточного) $NaOH$:

$n_{ост.}(NaOH) = n_{исх.}(NaOH) - n_{прореаг.}(NaOH) = 3 \; моль - 1,5 \; моль = 1,5$ моль

Масса оставшегося $NaOH$:

$m_{ост.}(NaOH) = n_{ост.}(NaOH) \cdot M(NaOH) = 1,5 \; моль \cdot 40 \; г/моль = 60$ г

Рассчитаем количество и массу продуктов реакции:

$n(NaCl) = \frac{5}{3} \cdot n(Cl_2) = \frac{5}{3} \cdot 0,75 \; моль = 1,25$ моль

$M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5$ г/моль

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = 1,25 \; моль \cdot 58,5 \; г/моль = 73,125$ г

$n(NaClO_3) = \frac{1}{3} \cdot n(Cl_2) = \frac{1}{3} \cdot 0,75 \; моль = 0,25$ моль

$M(NaClO_3) = 23 + 35,5 + 3 \cdot 16 = 106,5$ г/моль

$m(NaClO_3) = n(NaClO_3) \cdot M(NaClO_3) = 0,25 \; моль \cdot 106,5 \; г/моль = 26,625$ г

7. Рассчитаем массу конечного раствора. Она равна массе исходного раствора гидроксида натрия плюс масса поглощенного хлора.

Масса поглощенного хлора:

$m(Cl_2) = n(Cl_2) \cdot M(Cl_2) = 0,75 \; моль \cdot 71 \; г/моль = 53,25$ г

Масса конечного раствора:

$m_{конечн.р-ра} = m(р-ра \; NaOH) + m(Cl_2) = 600 \; г + 53,25 \; г = 653,25$ г

8. Найдем массовые доли веществ в полученном растворе. Раствор содержит хлорид натрия, хлорат натрия, избыток гидроксида натрия и воду.

Массовая доля хлорида натрия $NaCl$:

$\omega(NaCl) = \frac{m(NaCl)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{73,125 \; г}{653,25 \; г} \approx 0,1119$ или 11,19%

Массовая доля хлората натрия $NaClO_3$:

$\omega(NaClO_3) = \frac{m(NaClO_3)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{26,625 \; г}{653,25 \; г} \approx 0,0408$ или 4,08%

Массовая доля оставшегося гидроксида натрия $NaOH$:

$\omega(NaOH) = \frac{m_{ост.}(NaOH)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{60 \; г}{653,25 \; г} \approx 0,0918$ или 9,18%

Ответ: Массовые доли веществ в полученном растворе: $\omega(NaCl) \approx 11,19\%$; $\omega(NaClO_3) \approx 4,08\%$; $\omega(NaOH) \approx 9,18\%$.

7.53. При нагревании хлората калия $\left({\mathrm{КСlО}}_3\right)$ в присутствии катализатора часть вещества разложилась. При этом выделилось 6,72 л (н. у.) газа и образовался твёрдый остаток массой 16 г. К остатку добавили 170 г 30%-го раствора нитрата серебра. Определите массовую долю нитрата серебра в полученном растворе.

Дано:

$V(\text{газа}) = 6,72 \text{ л}$ (н. у.)
$m(\text{тв. остатка}) = 16 \text{ г}$
$m(\text{р-ра } AgNO_3) = 170 \text{ г}$
$\omega(AgNO_3) = 30\% = 0,3$

Найти:

$\omega_{\text{конечн.}}(AgNO_3) - ?$

Решение:

1. При нагревании хлората калия ($KClO_3$) в присутствии катализатора происходит его разложение с образованием хлорида калия ($KCl$) и кислорода ($O_2$). Запишем уравнение реакции:

$2KClO_3 \xrightarrow{t, \text{кат.}} 2KCl + 3O_2 \uparrow$

2. Выделившийся газ – это кислород. Найдем его количество вещества, используя молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ л/моль}$):

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количество вещества образовавшегося хлорида калия. Твердый остаток состоит из этого $KCl$ и непрореагировавшего $KClO_3$.

$n(KCl) = \frac{2}{3} n(O_2) = \frac{2}{3} \times 0,3 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$

4. К твердому остатку добавили раствор нитрата серебра. Из двух компонентов остатка ($KCl$ и $KClO_3$) с нитратом серебра реагирует только хлорид калия. Уравнение реакции:

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

5. Рассчитаем начальную массу и количество вещества нитрата серебра в растворе:

$m(AgNO_3)_{\text{исх.}} = m(\text{р-ра}) \times \omega(AgNO_3) = 170 \text{ г} \times 0,3 = 51 \text{ г}$

Молярная масса $AgNO_3$ составляет $M(AgNO_3) = 108 + 14 + 3 \times 16 = 170 \text{ г/моль}$.

$n(AgNO_3)_{\text{исх.}} = \frac{m(AgNO_3)_{\text{исх.}}}{M(AgNO_3)} = \frac{51 \text{ г}}{170 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

6. Сравним количество вещества реагентов. Согласно уравнению, они реагируют в соотношении 1:1.

$n(KCl) = 0,2 \text{ моль}$
$n(AgNO_3)_{\text{исх.}} = 0,3 \text{ моль}$

Так как $n(KCl) < n(AgNO_3)_{\text{исх.}}$, хлорид калия прореагирует полностью, а нитрат серебра находится в избытке.

7. Найдем массу нитрата серебра, оставшегося в растворе после реакции. В реакцию вступило $0,2 \text{ моль } AgNO_3$.

$n(AgNO_3)_{\text{ост.}} = n(AgNO_3)_{\text{исх.}} - n(KCl) = 0,3 \text{ моль} - 0,2 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

$m(AgNO_3)_{\text{ост.}} = n(AgNO_3)_{\text{ост.}} \times M(AgNO_3) = 0,1 \text{ моль} \times 170 \text{ г/моль} = 17 \text{ г}$

8. Для расчета массовой доли нужно найти массу конечного раствора. Она складывается из массы исходного раствора $AgNO_3$ и массы твердого остатка, из которой вычитается масса выпавшего осадка $AgCl$.

Найдем массу осадка $AgCl$. По уравнению реакции $n(AgCl) = n(KCl) = 0,2 \text{ моль}$.

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

$m(AgCl) = n(AgCl) \times M(AgCl) = 0,2 \text{ моль} \times 143,5 \text{ г/моль} = 28,7 \text{ г}$

Теперь найдем массу конечного раствора:

$m(\text{конечн. р-ра}) = m(\text{р-ра } AgNO_3) + m(\text{тв. остатка}) - m(AgCl)$

$m(\text{конечн. р-ра}) = 170 \text{ г} + 16 \text{ г} - 28,7 \text{ г} = 157,3 \text{ г}$

9. Рассчитаем итоговую массовую долю нитрата серебра в полученном растворе:

$\omega_{\text{конечн.}}(AgNO_3) = \frac{m(AgNO_3)_{\text{ост.}}}{m(\text{конечн. р-ра})} = \frac{17 \text{ г}}{157,3 \text{ г}} \approx 0,10807$

В процентах это составит $0,10807 \times 100\% \approx 10,81\%$.

Ответ: массовая доля нитрата серебра в полученном растворе составляет 10,81%.

7.54. Хлор, выделившийся при взаимодействии 43,5 г оксида марганца(IV) с 500 мл 36%-й соляной кислоты (плотность 1,18 г/мл), поглотили 600 г горячего 28%-го раствора гидроксида калия. Найдите массовую долю хлората калия в растворе.

Дано:

$m(MnO_2) = 43,5 \text{ г}$

$V(\text{р-ра } HCl) = 500 \text{ мл}$

$w(HCl) = 36\% = 0,36$

$\rho(\text{р-ра } HCl) = 1,18 \text{ г/мл}$

$m(\text{р-ра } KOH) = 600 \text{ г}$

$w(KOH) = 28\% = 0,28$

Найти:

$w(KClO_3) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции получения хлора из оксида марганца(IV) и соляной кислоты:

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Рассчитаем количества веществ реагентов, чтобы определить, какое из них находится в недостатке.

Молярная масса оксида марганца(IV):
$M(MnO_2) = 55 + 2 \cdot 16 = 87 \text{ г/моль}$

Количество вещества оксида марганца(IV):
$n(MnO_2) = \frac{m(MnO_2)}{M(MnO_2)} = \frac{43,5 \text{ г}}{87 \text{ г/моль}} = 0,5 \text{ моль}$

Масса раствора соляной кислоты:
$m(\text{р-ра } HCl) = V \cdot \rho = 500 \text{ мл} \cdot 1,18 \text{ г/мл} = 590 \text{ г}$

Масса чистой соляной кислоты (хлороводорода):
$m(HCl) = m(\text{р-ра } HCl) \cdot w(HCl) = 590 \text{ г} \cdot 0,36 = 212,4 \text{ г}$

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

Количество вещества хлороводорода:
$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{212,4 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 5,82 \text{ моль}$

3. Определим недостаток. По уравнению реакции, на 1 моль $MnO_2$ требуется 4 моль $HCl$.

На 0,5 моль $MnO_2$ требуется: $n_{теор}(HCl) = 4 \cdot n(MnO_2) = 4 \cdot 0,5 = 2 \text{ моль}$.

Поскольку у нас есть 5,82 моль $HCl$, а требуется только 2 моль, соляная кислота находится в избытке. Расчет ведем по недостатку, то есть по $MnO_2$.

4. Рассчитаем количество и массу выделившегося хлора.

По уравнению реакции: $n(Cl_2) = n(MnO_2) = 0,5 \text{ моль}$.

Молярная масса хлора:
$M(Cl_2) = 2 \cdot 35,5 = 71 \text{ г/моль}$

Масса выделившегося хлора:
$m(Cl_2) = n(Cl_2) \cdot M(Cl_2) = 0,5 \text{ моль} \cdot 71 \text{ г/моль} = 35,5 \text{ г}$

5. Запишем уравнение реакции хлора с горячим раствором гидроксида калия. При реакции с горячей щелочью хлор диспропорционирует с образованием хлорида и хлората:

$3Cl_2 + 6KOH \rightarrow 5KCl + KClO_3 + 3H_2O$

6. Рассчитаем количество вещества гидроксида калия и определим, какой из реагентов в недостатке во второй реакции.

Масса чистого гидроксида калия:
$m(KOH) = m(\text{р-ра } KOH) \cdot w(KOH) = 600 \text{ г} \cdot 0,28 = 168 \text{ г}$

Молярная масса гидроксида калия:
$M(KOH) = 39 + 16 + 1 = 56 \text{ г/моль}$

Количество вещества гидроксида калия:
$n(KOH) = \frac{m(KOH)}{M(KOH)} = \frac{168 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

По уравнению реакции, на 3 моль $Cl_2$ требуется 6 моль $KOH$, то есть соотношение $n(KOH) : n(Cl_2) = 2:1$.

На 0,5 моль $Cl_2$ требуется: $n_{теор}(KOH) = 2 \cdot n(Cl_2) = 2 \cdot 0,5 = 1 \text{ моль}$.

Поскольку у нас есть 3 моль $KOH$, а требуется только 1 моль, гидроксид калия находится в избытке. Расчет ведем по недостатку, то есть по $Cl_2$.

7. Рассчитаем массу образовавшегося хлората калия ($KClO_3$).

По уравнению реакции: $n(KClO_3) = \frac{1}{3} n(Cl_2) = \frac{1}{3} \cdot 0,5 = \frac{0,5}{3} \approx 0,167 \text{ моль}$.

Молярная масса хлората калия:
$M(KClO_3) = 39 + 35,5 + 3 \cdot 16 = 122,5 \text{ г/моль}$

Масса образовавшегося хлората калия:
$m(KClO_3) = n(KClO_3) \cdot M(KClO_3) = \frac{0,5}{3} \text{ моль} \cdot 122,5 \text{ г/моль} \approx 20,42 \text{ г}$

8. Рассчитаем массу конечного раствора.

Масса конечного раствора складывается из массы исходного раствора гидроксида калия и массы поглощенного хлора:
$m(\text{конечн. р-ра}) = m(\text{р-ра } KOH) + m(Cl_2) = 600 \text{ г} + 35,5 \text{ г} = 635,5 \text{ г}$

9. Найдем массовую долю хлората калия в конечном растворе.

$w(KClO_3) = \frac{m(KClO_3)}{m(\text{конечн. р-ра})} = \frac{20,42 \text{ г}}{635,5 \text{ г}} \approx 0,0321$

В процентах: $0,0321 \cdot 100\% = 3,21\%$

Ответ: массовая доля хлората калия в растворе составляет 3,21%.