Страница 198 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.55. Смесь хлорида натрия и бромида натрия может прореагировать с 2,24 л хлора (н. у.) или с 850 г 5%-го раствора нитрата серебра. Определите массовую долю бромида натрия в исходной смеси.

Дано:

$V(Cl_2) = 2,24$ л (н. у.)
$m_{р-ра}(AgNO_3) = 850$ г
$\omega(AgNO_3) = 5\% = 0,05$

Найти:

$\omega(NaBr)$ в смеси - ?

Решение:

В исходной смеси содержатся хлорид натрия ($NaCl$) и бромид натрия ($NaBr$).

1. Взаимодействие с хлором. Хлор является более активным галогеном, чем бром, поэтому он будет вытеснять бром из его соли. С хлоридом натрия хлор не реагирует.

Уравнение реакции:

$2NaBr + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Определим количество вещества хлора, которое может прореагировать со смесью. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа составляет $V_m = 22,4$ л/моль.

$n(Cl_2) = \frac{V(Cl_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,1$ моль.

Согласно уравнению реакции, количество вещества бромида натрия в два раза больше количества вещества хлора:

$n(NaBr) = 2 \cdot n(Cl_2) = 2 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,2$ моль.

Вычислим массу бромида натрия в исходной смеси. Молярная масса $NaBr$ равна:

$M(NaBr) = M(Na) + M(Br) = 23 + 80 = 103$ г/моль.

$m(NaBr) = n(NaBr) \cdot M(NaBr) = 0,2 \text{ моль} \cdot 103 \text{ г/моль} = 20,6$ г.

2. Взаимодействие с раствором нитрата серебра. Оба компонента смеси (и $NaCl$, и $NaBr$) реагируют с нитратом серебра с образованием нерастворимых осадков.

Уравнения реакций:

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

$NaBr + AgNO_3 \rightarrow AgBr\downarrow + NaNO_3$

Вычислим массу чистого нитрата серебра в растворе:

$m(AgNO_3) = m_{р-ра}(AgNO_3) \cdot \omega(AgNO_3) = 850 \text{ г} \cdot 0,05 = 42,5$ г.

Найдем общее количество вещества нитрата серебра, которое реагирует со всей смесью. Молярная масса $AgNO_3$:

$M(AgNO_3) = M(Ag) + M(N) + 3 \cdot M(O) = 108 + 14 + 3 \cdot 16 = 170$ г/моль.

$n_{общ}(AgNO_3) = \frac{m(AgNO_3)}{M(AgNO_3)} = \frac{42,5 \text{ г}}{170 \text{ г/моль}} = 0,25$ моль.

Из уравнений реакций следует, что $AgNO_3$ реагирует как с $NaCl$, так и с $NaBr$ в мольном соотношении 1:1. Таким образом, общее количество вещества $AgNO_3$ равно сумме количеств веществ $NaCl$ и $NaBr$ в смеси.

$n_{общ}(AgNO_3) = n(NaCl) + n(NaBr)$

Поскольку мы уже нашли количество вещества бромида натрия ($n(NaBr) = 0,2$ моль), мы можем найти количество вещества хлорида натрия:

$n(NaCl) = n_{общ}(AgNO_3) - n(NaBr) = 0,25 \text{ моль} - 0,2 \text{ моль} = 0,05$ моль.

Теперь вычислим массу хлорида натрия в смеси. Молярная масса $NaCl$:

$M(NaCl) = M(Na) + M(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5$ г/моль.

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = 0,05 \text{ моль} \cdot 58,5 \text{ г/моль} = 2,925$ г.

3. Определение массовой доли бромида натрия.

Найдем общую массу исходной смеси:

$m_{смеси} = m(NaBr) + m(NaCl) = 20,6 \text{ г} + 2,925 \text{ г} = 23,525$ г.

Рассчитаем массовую долю бромида натрия ($\omega(NaBr)$) в смеси:

$\omega(NaBr) = \frac{m(NaBr)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{20,6 \text{ г}}{23,525 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 87,56\%$

Ответ: массовая доля бромида натрия в исходной смеси составляет 87,56%.

7.56. Прокаливание хлората калия массой 367,5 г привело к его полному разло-жению, причём масса твёрдого остатка составила 335,5 г. Определите состав твёрдого остатка в массовых процентах.

Дано:

$m(KClO_3) = 367,5 \text{ г}$

$m(\text{твёрдого остатка}) = 335,5 \text{ г}$

Найти:

$\omega(\text{компонентов твёрдого остатка}) - ?$

Решение:

При прокаливании хлората калия ($KClO_3$) возможно протекание двух параллельных реакций разложения:

1) Разложение с выделением кислорода:

$2KClO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KCl + 3O_2 \uparrow$

2) Реакция диспропорционирования с образованием перхлората калия и хлорида калия:

$4KClO_3 \xrightarrow{t^\circ} 3KClO_4 + KCl$

Уменьшение массы исходного вещества произошло за счёт выделения газообразного кислорода. Найдём массу и количество вещества выделившегося кислорода:

$m(O_2) = m(KClO_3) - m(\text{твёрдого остатка}) = 367,5 \text{ г} - 335,5 \text{ г} = 32,0 \text{ г}$

Молярная масса кислорода $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$.

$n(O_2) = \frac{m(O_2)}{M(O_2)} = \frac{32,0 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 1,0 \text{ моль}$

В условии сказано, что хлорат калия разложился полностью. Это означает, что исходный $KClO_3$ прореагировал по обоим направлениям, и твёрдый остаток состоит из продуктов обеих реакций: хлорида калия ($KCl$) и перхлората калия ($KClO_4$).

Найдём исходное количество вещества хлората калия. Молярная масса $KClO_3$ равна $M(KClO_3) = 39 + 35,5 + 3 \cdot 16 = 122,5 \text{ г/моль}$.

$n(KClO_3)_{\text{исх}} = \frac{m(KClO_3)}{M(KClO_3)} = \frac{367,5 \text{ г}}{122,5 \text{ г/моль}} = 3,0 \text{ моль}$

Пусть $x$ моль $KClO_3$ разложилось по первой реакции, а $y$ моль — по второй. Суммарное количество разложившегося $KClO_3$ равно 3,0 моль, следовательно:

$x + y = 3,0$

Кислород выделяется только в первой реакции. Согласно уравнению реакции, из 2 моль $KClO_3$ образуется 3 моль $O_2$. Составим пропорцию для нахождения $x$:

$n(O_2) = \frac{3}{2} x$

Так как мы нашли, что $n(O_2) = 1,0 \text{ моль}$, то можем найти $x$:

$1,0 = \frac{3}{2} x \implies x = \frac{2 \cdot 1,0}{3} = \frac{2}{3} \text{ моль}$

Теперь найдём $y$:

$y = 3,0 - x = 3 - \frac{2}{3} = \frac{9-2}{3} = \frac{7}{3} \text{ моль}$

Теперь определим количество веществ в твёрдом остатке.

По первой реакции образовалось $KCl$:

$n_1(KCl) = x = \frac{2}{3} \text{ моль}$

По второй реакции образовались $KCl$ и $KClO_4$:

$n(KClO_4) = \frac{3}{4} y = \frac{3}{4} \cdot \frac{7}{3} = \frac{7}{4} = 1,75 \text{ моль}$

$n_2(KCl) = \frac{1}{4} y = \frac{1}{4} \cdot \frac{7}{3} = \frac{7}{12} \text{ моль}$

Общее количество вещества $KCl$ в остатке:

$n_{\text{общ}}(KCl) = n_1(KCl) + n_2(KCl) = \frac{2}{3} + \frac{7}{12} = \frac{8}{12} + \frac{7}{12} = \frac{15}{12} = 1,25 \text{ моль}$

Найдём массы компонентов твёрдого остатка. Молярные массы: $M(KCl) = 39 + 35,5 = 74,5 \text{ г/моль}$; $M(KClO_4) = 39 + 35,5 + 4 \cdot 16 = 138,5 \text{ г/моль}$.

$m(KCl) = n_{\text{общ}}(KCl) \cdot M(KCl) = 1,25 \text{ моль} \cdot 74,5 \text{ г/моль} = 93,125 \text{ г}$

$m(KClO_4) = n(KClO_4) \cdot M(KClO_4) = 1,75 \text{ моль} \cdot 138,5 \text{ г/моль} = 242,375 \text{ г}$

Проверим общую массу остатка: $93,125 \text{ г} + 242,375 \text{ г} = 335,5 \text{ г}$. Это совпадает с данными задачи.

Найдём массовые доли компонентов в твёрдом остатке:

$\omega(KCl) = \frac{m(KCl)}{m(\text{твёрдого остатка})} \cdot 100\% = \frac{93,125 \text{ г}}{335,5 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 27,76\%$

$\omega(KClO_4) = \frac{m(KClO_4)}{m(\text{твёрдого остатка})} \cdot 100\% = \frac{242,375 \text{ г}}{335,5 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 72,24\%$

Ответ:

Состав твёрдого остатка в массовых процентах: $\omega(KCl) \approx 27,76\%$, $\omega(KClO_4) \approx 72,24\%$.

7.57. Иодат калия ${\mathrm{КIO}}_3$ получают пропусканием хлора через раствор, содержащий иодид калия и гидроксид калия. Какую массу йодата можно получить, имея 2,24 л (н. у.) хлора, если реакция протекает с выходом 95%?

Дано:

$V(Cl_2) = 2,24$ л (н. у.)
$\eta = 95\% = 0,95$

Найти:

$m_{практ}(KIO_3)$ — ?

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции. Хлор ($Cl_2$) является сильным окислителем и в щелочной среде ($KOH$) окисляет иодид калия ($KI$) до иодата калия ($KIO_3$). Сам хлор при этом восстанавливается до хлорида калия ($KCl$).

$3Cl_2 + KI + 6KOH \rightarrow KIO_3 + 6KCl + 3H_2O$

2. Вычислим количество вещества (число моль) хлора, исходя из его объема при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22,4$ л/моль.

$n(Cl_2) = \frac{V(Cl_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,1$ моль

3. Используя стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции, найдем теоретическое количество вещества иодата калия, которое может образоваться. Соотношение количеств веществ хлора и иодата калия составляет 3:1.

$n_{теор}(KIO_3) = \frac{1}{3} \cdot n(Cl_2) = \frac{1}{3} \cdot 0,1 \text{ моль} = \frac{0,1}{3}$ моль

4. Рассчитаем молярную массу иодата калия ($KIO_3$). Используем округленные атомные массы: $Ar(K)=39$, $Ar(I)=127$, $Ar(O)=16$.

$M(KIO_3) = 39 + 127 + 3 \cdot 16 = 214$ г/моль

5. Найдем теоретически возможную массу иодата калия.

$m_{теор}(KIO_3) = n_{теор}(KIO_3) \cdot M(KIO_3) = \frac{0,1}{3} \text{ моль} \cdot 214 \text{ г/моль} \approx 7,133$ г

6. Определим практическую массу иодата калия, учитывая, что выход реакции составляет 95%.

$m_{практ}(KIO_3) = m_{теор}(KIO_3) \cdot \eta = 7,133 \text{ г} \cdot 0,95 \approx 6,776$ г

Округлим результат до двух значащих цифр, так как наименее точное данное в условии (95%) имеет две значащие цифры.

$m_{практ}(KIO_3) \approx 6,8$ г

Ответ: масса иодата калия, которую можно получить, составляет 6,8 г.

7.58. Выпишите формулы четырёх кислородсодержащих кислот хлора, дайте им названия, укажите названия солей. Как меняются кислотные и окислительные свойства этих кислот с ростом степени окисления? Объясните наблюдаемые закономерности.

Решение

Формулы четырёх кислородсодержащих кислот хлора, их названия и названия солей

Хлор образует четыре кислородсодержащие кислоты, в которых он проявляет разные степени окисления:

1. Формула: $HClO$ (или $HOCl$)
Степень окисления хлора: $+1$
Название кислоты: Хлорноватистая кислота
Название солей: Гипохлориты (например, гипохлорит натрия $NaClO$)

2. Формула: $HClO_2$
Степень окисления хлора: $+3$
Название кислоты: Хлористая кислота
Название солей: Хлориты (например, хлорит натрия $NaClO_2$)

3. Формула: $HClO_3$
Степень окисления хлора: $+5$
Название кислоты: Хлорноватая кислота
Название солей: Хлораты (например, хлорат калия $KClO_3$)

4. Формула: $HClO_4$
Степень окисления хлора: $+7$
Название кислоты: Хлорная кислота
Название солей: Перхлораты (например, перхлорат калия $KClO_4$)

Изменение кислотных и окислительных свойств с ростом степени окисления

В ряду кислородсодержащих кислот хлора $HClO \rightarrow HClO_2 \rightarrow HClO_3 \rightarrow HClO_4$ с ростом степени окисления хлора от $+1$ до $+7$ наблюдаются следующие закономерности:

1. Кислотные свойства усиливаются. Хлорноватистая кислота ($HClO$) — очень слабая кислота, слабее угольной. Хлористая кислота ($HClO_2$) — слабая кислота. Хлорноватая кислота ($HClO_3$) — сильная кислота. Хлорная кислота ($HClO_4$) — одна из самых сильных неорганических кислот.
Ряд усиления кислотных свойств: $HClO < HClO_2 < HClO_3 < HClO_4$.

2. Окислительные свойства ослабевают. Все эти кислоты являются окислителями, так как хлор в них находится в положительной степени окисления. Однако их окислительная активность уменьшается с ростом степени окисления хлора и, соответственно, с увеличением устойчивости кислоты.
Ряд ослабления окислительных свойств: $HClO > HClO_2 > HClO_3 > HClO_4$.

Объяснение наблюдаемых закономерностей

Усиление кислотных свойств объясняется двумя факторами:

• С увеличением числа атомов кислорода, связанных с центральным атомом хлора, возрастает поляризация связи $O-H$. Электроотрицательные атомы кислорода оттягивают электронную плотность от атома хлора, а тот, в свою очередь, оттягивает ее от атома кислорода в группе $O-H$. Это делает связь $O-H$ более полярной и облегчает диссоциацию кислоты с отщеплением протона $H^+$.
• С ростом числа атомов кислорода увеличивается стабильность образующегося аниона (сопряженного основания). В анионе $ClO_n^-$ отрицательный заряд рассредоточен (делокализован) между всеми атомами кислорода. Чем больше атомов кислорода, тем эффективнее делокализация, и тем стабильнее анион. Например, в перхлорат-ионе $ClO_4^-$ заряд равномерно распределен между четырьмя атомами кислорода, что делает его очень стабильным. Чем стабильнее сопряженное основание, тем сильнее кислота.

Ослабление окислительных свойств связано с увеличением термодинамической устойчивости кислот и их анионов в ряду от $HClO$ к $HClO_4$. Хлорноватистая кислота $HClO$ и ее соли гипохлориты наименее устойчивы и легко разлагаются, проявляя высокую окислительную активность (они стремятся восстановиться до более стабильной степени окисления, например, -1). Напротив, хлорная кислота $HClO_4$ и особенно перхлорат-ион $ClO_4^-$ являются очень устойчивыми частицами, поэтому в обычных условиях (в разбавленных холодных растворах) они проявляют слабые окислительные свойства.

Ответ:

Четыре кислородсодержащие кислоты хлора: $HClO$ (хлорноватистая, соли — гипохлориты), $HClO_2$ (хлористая, соли — хлориты), $HClO_3$ (хлорноватая, соли — хлораты), $HClO_4$ (хлорная, соли — перхлораты).
С ростом степени окисления хлора в ряду $HClO \rightarrow HClO_2 \rightarrow HClO_3 \rightarrow HClO_4$:
• Кислотные свойства усиливаются из-за увеличения поляризации связи $O-H$ и роста стабильности аниона.
• Окислительные свойства ослабевают из-за увеличения термодинамической устойчивости молекул кислот и их анионов.

7.59. Белое кристаллическое вещество X хорошо растворимо в воде, окрашивает пламя в жёлтый цвет. При добавлении к насыщенному раствору X насыщенного раствора хлорида калия выделяются кристаллы вещества Y, которое при нагревании в смеси с диоксидом марганца выделяет газ, вызывающий воспламенение тлеющей лучинки. Запишите уравнения реакций.

Решение

1. Проанализируем условия задачи для идентификации вещества X. Указано, что это белое кристаллическое вещество, которое хорошо растворимо в воде и окрашивает пламя в жёлтый цвет. Жёлтое окрашивание пламени — качественная реакция на ионы натрия ($Na^+$). Следовательно, вещество X — это соль натрия.

2. Определим вещество Y. Оно образуется в виде кристаллов при добавлении насыщенного раствора хлорида калия ($KCl$) к насыщенному раствору вещества X. Это реакция ионного обмена, и вещество Y является солью калия, которая выпадает в осадок из-за меньшей растворимости по сравнению с другими солями в растворе.

3. Ключевой подсказкой является то, что вещество Y при нагревании в смеси с диоксидом марганца ($MnO_2$) выделяет газ, вызывающий воспламенение тлеющей лучинки. Этот газ — кислород ($O_2$). Реакция разложения вещества с катализатором $MnO_2$ для получения кислорода является классическим лабораторным методом, в котором используется хлорат калия ($KClO_3$, бертолетова соль). Таким образом, вещество Y — это хлорат калия ($KClO_3$).

4. Зная, что Y — это $KClO_3$, мы можем определить X. Поскольку Y образовался из соли натрия X и $KCl$, то X — это хлорат натрия ($NaClO_3$).

Запишем уравнения упомянутых реакций:

1. Реакция обмена между хлоратом натрия и хлоридом калия в насыщенных растворах. Хлорат калия менее растворим, чем хлорат натрия, поэтому он выпадает в осадок.

$NaClO_3 + KCl \rightarrow KClO_3\downarrow + NaCl$

2. Каталитическое разложение хлората калия (вещество Y) при нагревании с диоксидом марганца ($MnO_2$) с выделением кислорода.

$2KClO_3 \xrightarrow{t^\circ, MnO_2} 2KCl + 3O_2\uparrow$

Ответ:

$NaClO_3 + KCl \rightarrow KClO_3\downarrow + NaCl$

$2KClO_3 \xrightarrow{t^\circ, MnO_2} 2KCl + 3O_2\uparrow$

7.60. Белое кристаллическое вещество X хорошо растворимо в воде, окрашивает пламя в фиолетовый цвет. При нагревании X разлагается, выделяя бесцветный газ Y, окрашивающий лакмус в красный цвет. Из 23,4 г X образуется 6,72 л (н. у.) Y.

Проанализируем данные задачи для определения веществ X и Y.

1. Вещество X — это белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Характерное фиолетовое окрашивание пламени указывает на присутствие в его составе ионов калия ($K^+$). Следовательно, X является солью калия.

2. При термическом разложении вещества X выделяется бесцветный газ Y, который окрашивает влажную лакмусовую бумагу в красный цвет. Это свойство указывает на то, что газ Y является кислотным (или образует кислоту при взаимодействии с водой).

Для точного установления формул веществ воспользуемся количественными данными из условия задачи.

Дано:

$m(\text{X}) = 23,4 \text{ г}$
$V(\text{Y}) = 6,72 \text{ л (н. у.)}$

Найти:

Формулы веществ X и Y.

Решение:

1. Рассчитаем количество вещества (число моль) выделившегося газа Y. Поскольку объем дан при нормальных условиях (н. у.), используем молярный объем газа $V_m = 22,4$ л/моль. $$ n(\text{Y}) = \frac{V(\text{Y})}{V_m} = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль} $$

2. Запишем уравнение реакции разложения вещества X в общем виде, где a и b — стехиометрические коэффициенты: $$ a\text{X} \xrightarrow{\Delta} \text{продукты} + b\text{Y} $$ Из уравнения реакции следует, что количество вещества X связано с количеством вещества Y соотношением: $$ n(\text{X}) = \frac{a}{b} \cdot n(\text{Y}) = \frac{a}{b} \cdot 0,3 \text{ моль} $$

3. Молярная масса вещества X ($M(\text{X})$) определяется как отношение его массы к количеству вещества: $$ M(\text{X}) = \frac{m(\text{X})}{n(\text{X})} = \frac{23,4 \text{ г}}{\frac{a}{b} \cdot 0,3 \text{ моль}} = \frac{23,4 \cdot b}{0,3 \cdot a} \frac{\text{г}}{\text{моль}} = 78 \cdot \frac{b}{a} \frac{\text{г}}{\text{моль}} $$

4. Теперь необходимо найти такую соль калия и такую реакцию ее разложения, чтобы ее молярная масса соответствовала полученной формуле при целочисленных коэффициентах a и b. Рассмотрим простейший стехиометрический случай, когда $a = 1$ и $b = 1$. В этом случае молярная масса вещества X должна быть: $$ M(\text{X}) = 78 \cdot \frac{1}{1} = 78 \frac{\text{г}}{\text{моль}} $$

5. Проверим, существует ли соль калия, удовлетворяющая этим условиям. Одной из таких солей является гидрофторид калия (или бифторид калия) с формулой $\text{KHF}_2$. Это белое кристаллическое вещество, содержащее калий. При нагревании оно разлагается по следующему уравнению: $$ \text{KHF}_2(s) \xrightarrow{t} \text{KF}(s) + \text{HF}(g) $$ В этой реакции стехиометрические коэффициенты $a=1$ и $b=1$. Выделяющийся газ — фтороводород (HF). Фтороводород является бесцветным газом и при растворении в воде образует плавиковую кислоту, которая окрашивает лакмус в красный цвет. Все качественные признаки совпадают.

6. Рассчитаем теоретическую молярную массу гидрофторида калия, чтобы убедиться в правильности нашего предположения: $$ M(\text{KHF}_2) = M(\text{K}) + M(\text{H}) + 2 \cdot M(\text{F}) = 39,1 + 1,0 + 2 \cdot 19,0 = 78,1 \text{ г/моль} $$ Это значение практически идеально совпадает с вычисленным нами значением 78 г/моль.

Таким образом, вещество X — это гидрофторид калия ($\text{KHF}_2$), а газ Y — это фтороводород (HF).

Ответ: Вещество X – гидрофторид калия ($\text{KHF}_2$), вещество Y – фтороводород (HF). Уравнение реакции разложения: $\text{KHF}_2 \xrightarrow{t} \text{KF} + \text{HF}$.

7.61. На дне солёного озера Дон-Жуан в Антарктиде был обнаружен минерал антарктицит, представляющий собой бесцветные кристаллы, растворимые в воде. Водный раствор этого минерала даёт белый творожистый осадок с нитратом серебра, а раствор, полученный из 21,9 г антактицита, даёт 10 г белого осадка при действии на него карбонатом натрия. Определите состав этого минерала.

Дано:

$m(\text{антарктицита}) = 21,9 \text{ г}$

$m(\text{осадка}) = 10 \text{ г}$

Раствор минерала + $AgNO_3 \rightarrow$ белый творожистый осадок

Раствор минерала + $Na_2CO_3 \rightarrow$ белый осадок

$m(\text{антарктицита}) = 0,0219 \text{ кг}$

$m(\text{осадка}) = 0,01 \text{ кг}$

Найти:

Формулу минерала.

Решение:

1. Определим качественный состав минерала.Минерал растворим в воде. Водный раствор минерала дает белый творожистый осадок с нитратом серебра ($AgNO_3$). Это качественная реакция на хлорид-ион ($Cl^-$). Образующийся осадок — хлорид серебра ($AgCl$):$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl \downarrow$Следовательно, анионом в составе минерала является хлорид-ион. Минерал представляет собой хлорид некоторого металла $MeCl_n$. Поскольку минерал представляет собой кристаллы, вероятно, это кристаллогидрат, то есть его формула $MeCl_n \cdot xH_2O$.

2. При действии на раствор минерала карбонатом натрия ($Na_2CO_3$) выпадает 10 г белого осадка. Этот осадок является карбонатом металла $Me_2(CO_3)_n$.$2 MeCl_n + n Na_2CO_3 \rightarrow Me_2(CO_3)_n \downarrow + 2n NaCl$

3. Солёные озера часто содержат соли щелочноземельных металлов, например, кальция или магния. Предположим, что катионом в минерале является ион кальция $Ca^{2+}$. Тогда $n=2$.Формула безводной соли — хлорид кальция ($CaCl_2$), а формула кристаллогидрата — $CaCl_2 \cdot xH_2O$.Осадок, образующийся при реакции с карбонатом натрия, — это карбонат кальция ($CaCO_3$).

4. Запишем уравнение реакции:$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

5. Рассчитаем количество вещества выпавшего осадка — карбоната кальция ($CaCO_3$).Молярная масса $CaCO_3$:$M(CaCO_3) = M(Ca) + M(C) + 3 \cdot M(O) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100 \text{ г/моль}$Количество вещества $CaCO_3$:$\nu(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{M(CaCO_3)} = \frac{10 \text{ г}}{100 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

6. По уравнению реакции, количество вещества хлорида кальция в исходном растворе равно количеству вещества карбоната кальция:$\nu(CaCl_2) = \nu(CaCO_3) = 0,1 \text{ моль}$

7. Исходный минерал (антарктицит) представляет собой кристаллогидрат $CaCl_2 \cdot xH_2O$. Масса образца минерала равна 21,9 г, и в этом образце содержится 0,1 моль $CaCl_2$. Следовательно, количество вещества всего кристаллогидрата также равно 0,1 моль.$\nu(CaCl_2 \cdot xH_2O) = 0,1 \text{ моль}$

8. Найдем молярную массу кристаллогидрата, используя данные задачи:$M(CaCl_2 \cdot xH_2O) = \frac{m(\text{антарктицита})}{\nu(CaCl_2 \cdot xH_2O)} = \frac{21,9 \text{ г}}{0,1 \text{ моль}} = 219 \text{ г/моль}$

9. С другой стороны, молярная масса кристаллогидрата может быть выражена через $x$:$M(CaCl_2 \cdot xH_2O) = M(CaCl_2) + x \cdot M(H_2O)$$M(CaCl_2) = 40 + 2 \cdot 35,5 = 111 \text{ г/моль}$$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$$M(CaCl_2 \cdot xH_2O) = 111 + 18x$

10. Приравняем два выражения для молярной массы и найдем $x$:$111 + 18x = 219$$18x = 219 - 111$$18x = 108$$x = \frac{108}{18} = 6$

Таким образом, формула минерала — $CaCl_2 \cdot 6H_2O$ (гексагидрат хлорида кальция). Наше предположение о том, что металл — кальций, оказалось верным, так как $x$ получилось целым числом.

Ответ: состав минерала антарктицита — $CaCl_2 \cdot 6H_2O$.

7.62. Какая масса гексагидрата хлорида кальция выпадет в осадок при охлаждении до 20 °C 100 г насыщенного при 100 °C раствора этой соли? Растворимость при 100 °C составляет 159 г соли в 100 г воды, а при 20 °C – 74 г в 100 г воды.

Дано:

Найти:

$m(CaCl_2 \cdot 6H_2O)_{осадка} - ?$

Решение:

1. Сначала определим состав исходного 100-граммового насыщенного раствора при $100 \text{ °C}$.

Масса насыщенного раствора, приготовленного из $100 \text{ г}$ воды, составляет:

$m_{р-ра} = m(H_2O) + m(CaCl_2) = 100 \text{ г} + 159 \text{ г} = 259 \text{ г}$

Найдем массы воды и безводной соли $CaCl_2$ в $100 \text{ г}$ такого раствора, используя пропорцию:

Масса $CaCl_2$ в $100 \text{ г}$ раствора:

$m_{исх}(CaCl_2) = 100 \text{ г р-ра} \cdot \frac{159 \text{ г } CaCl_2}{259 \text{ г р-ра}} \approx 61.39 \text{ г}$

Масса воды в $100 \text{ г}$ раствора:

$m_{исх}(H_2O) = 100 \text{ г р-ра} \cdot \frac{100 \text{ г } H_2O}{259 \text{ г р-ра}} \approx 38.61 \text{ г}$

Проверка: $61.39 \text{ г} + 38.61 \text{ г} = 100 \text{ г}$.

2. При охлаждении раствора до $20 \text{ °C}$ растворимость соли уменьшается, и в осадок выпадает кристаллогидрат $CaCl_2 \cdot 6H_2O$. Вычислим молярные массы веществ:

$M(CaCl_2) = 40.08 + 2 \cdot 35.45 = 110.98 \text{ г/моль} \approx 111 \text{ г/моль}$

$M(H_2O) = 2 \cdot 1.01 + 16.00 = 18.02 \text{ г/моль} \approx 18 \text{ г/моль}$

$M(CaCl_2 \cdot 6H_2O) = 111 + 6 \cdot 18 = 111 + 108 = 219 \text{ г/моль}$

3. Пусть $x$ - масса выпавшего в осадок кристаллогидрата $CaCl_2 \cdot 6H_2O$. Масса безводной соли и воды в этом осадке составляет:

$m_{осадка}(CaCl_2) = x \cdot \frac{M(CaCl_2)}{M(CaCl_2 \cdot 6H_2O)} = x \cdot \frac{111}{219}$

$m_{осадка}(H_2O) = x \cdot \frac{6 \cdot M(H_2O)}{M(CaCl_2 \cdot 6H_2O)} = x \cdot \frac{108}{219}$

После выпадения осадка в растворе останутся:

$m_{кон}(CaCl_2) = 61.39 - \frac{111}{219}x$

$m_{кон}(H_2O) = 38.61 - \frac{108}{219}x$

В конечном насыщенном растворе при $20 \text{ °C}$ отношение масс соли и воды равно $74/100$:

$\frac{61.39 - \frac{111}{219}x}{38.61 - \frac{108}{219}x} = \frac{74}{100} = 0.74$

Решение этого уравнения приводит к значению $x \approx 231$ г, что является физически невозможным, так как масса осадка не может быть больше массы исходного раствора.

4. Невозможность получения корректного результата означает, что наше предположение о сохранении жидкого насыщенного раствора после охлаждения неверно. Это случается, когда для кристаллизации избытка соли в виде гидрата требуется больше воды, чем доступно. В этой ситуации лимитирующим компонентом является вода, и она полностью расходуется на образование кристаллогидрата.

5. Рассчитаем, какая масса гексагидрата образуется, если вся вода из раствора ($38.61 \text{ г}$) перейдет в осадок.

Масса кристаллогидрата, содержащего $38.61 \text{ г}$ воды:

$m(CaCl_2 \cdot 6H_2O) = m_{исх}(H_2O) \cdot \frac{M(CaCl_2 \cdot 6H_2O)}{M(6H_2O)} = 38.61 \text{ г} \cdot \frac{219}{108} \approx 78.29 \text{ г}$

Проверим, достаточно ли для этого соли. Масса $CaCl_2$, необходимая для образования $78.29 \text{ г}$ кристаллогидрата:

$m_{необх}(CaCl_2) = 78.29 \text{ г} \cdot \frac{M(CaCl_2)}{M(CaCl_2 \cdot 6H_2O)} = 78.29 \text{ г} \cdot \frac{111}{219} \approx 39.68 \text{ г}$

В исходном растворе было $61.39 \text{ г}$ соли $CaCl_2$. Так как $61.39 \text{ г} > 39.68 \text{ г}$, соли достаточно, чтобы связать всю воду.

Таким образом, весь раствор кристаллизуется, образуя $78.29 \text{ г}$ гексагидрата хлорида кальция и оставляя избыток безводной соли ($61.39 - 39.68 = 21.71 \text{ г}$). Масса выпавшего в осадок гексагидрата равна $78.29 \text{ г}$.

Ответ: масса гексагидрата хлорида кальция, которая выпадет в осадок, составляет примерно $78.3$ г.

7.63. Как осуществить следующие превращения?

$\mathrm{а}) \mathrm{KI}⟶{\mathrm{I}}_2⟶{\mathrm{НIO}}_3⟶{\mathrm{I}}_2{\mathrm{О}}_5⟶ {\mathrm{I}}_2$

$\mathrm{б}) \mathrm{КВг}⟶\mathrm{НВг}⟶{\mathrm{FeBr}}_2⟶{\mathrm{FeBr}}_3⟶\mathrm{AgBr}⟶{\mathrm{Br}}_2$

а) KI → I₂ → HIO₃ → I₂O₅ → I₂

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести следующие реакции:

1. Получение иода из иодида калия. Это можно сделать, окислив иодид-ионы. В качестве окислителя можно использовать более активный галоген, например, хлор. При пропускании газообразного хлора через раствор иодида калия выделяется свободный иод:

$2KI + Cl_2 \longrightarrow 2KCl + I_2$

2. Получение иодноватой кислоты из иода. Для этого необходимо окислить иод сильным окислителем. Например, можно пропустить хлор через водную суспензию иода. В этой реакции иод окисляется до степени окисления +5.

$I_2 + 5Cl_2 + 6H_2O \longrightarrow 2HIO_3\downarrow + 10HCl$

3. Получение оксида иода(V) из иодноватой кислоты. Оксид иода(V) (иодноватый ангидрид) является продуктом дегидратации иодноватой кислоты. Реакция происходит при осторожном нагревании кислоты примерно до 200°C.

$2HIO_3 \xrightarrow{t^\circ} I_2O_5 + H_2O$

4. Получение иода из оксида иода(V). Для этого нужно восстановить иод. Самый простой способ — термическое разложение оксида иода(V), которое происходит при температуре выше 290°C.

$2I_2O_5 \xrightarrow{t^\circ} 2I_2 + 5O_2\uparrow$

Ответ:

1. $2KI + Cl_2 \longrightarrow 2KCl + I_2$

2. $I_2 + 5Cl_2 + 6H_2O \longrightarrow 2HIO_3 + 10HCl$

3. $2HIO_3 \xrightarrow{t^\circ} I_2O_5 + H_2O$

4. $2I_2O_5 \xrightarrow{t^\circ} 2I_2 + 5O_2$

б) KBr → HBr → FeBr₂ → FeBr₃ → AgBr → Br₂

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести следующие реакции:

1. Получение бромоводорода из бромида калия. Для вытеснения бромоводорода из его соли используют сильную, но нелетучую и не являющуюся сильным окислителем кислоту, например, концентрированную ортофосфорную кислоту, при нагревании твердых реагентов.

$KBr(тв.) + H_3PO_4(конц.) \xrightarrow{t^\circ} KH_2PO_4 + HBr\uparrow$

2. Получение бромида железа(II) из бромоводорода. Бромоводородную кислоту (раствор HBr в воде) вводят в реакцию с металлическим железом. Железо, как более активный металл, вытесняет водород из кислоты, образуя соль железа(II).

$Fe + 2HBr \longrightarrow FeBr_2 + H_2\uparrow$

3. Получение бромида железа(III) из бромида железа(II). Для этого необходимо окислить железо со степени окисления +2 до +3. Это можно сделать, пропуская бром через раствор бромида железа(II).

$2FeBr_2 + Br_2 \longrightarrow 2FeBr_3$

4. Получение бромида серебра из бромида железа(III). Это реакция ионного обмена в растворе. К раствору бромида железа(III) добавляют раствор растворимой соли серебра, например, нитрата серебра. Бромид серебра выпадает в виде нерастворимого осадка светло-желтого цвета.

$FeBr_3 + 3AgNO_3 \longrightarrow 3AgBr\downarrow + Fe(NO_3)_3$

5. Получение брома из бромида серебра. Бром можно получить, вытеснив его из соли более активным галогеном, например, хлором. Хлор окисляет бромид-ионы до свободного брома.

$2AgBr + Cl_2 \longrightarrow 2AgCl\downarrow + Br_2$

Ответ:

1. $KBr + H_3PO_4 \xrightarrow{t^\circ} KH_2PO_4 + HBr$

2. $Fe + 2HBr \longrightarrow FeBr_2 + H_2$

3. $2FeBr_2 + Br_2 \longrightarrow 2FeBr_3$

4. $FeBr_3 + 3AgNO_3 \longrightarrow 3AgBr\downarrow + Fe(NO_3)_3$

5. $2AgBr + Cl_2 \longrightarrow 2AgCl + Br_2$