Страница 199 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.64. Газ, получившийся при действии избытка концентрированной серной кислоты на 175,5 г хлорида натрия, поглотили 8%-м раствором гидроксида натрия. Конечный раствор окрашивает лакмус в фиолетовый цвет. Найдите объём исходного раствора гидроксида натрия, если его плотность составляет 1,1 г/ мл.

Дано

$m(NaCl) = 175,5 \text{ г}$

$\omega(NaOH) = 8\% = 0.08$

$\rho_{р-ра}(NaOH) = 1,1 \text{ г/мл}$

Конечный раствор окрашивает лакмус в фиолетовый цвет (нейтральная среда).

Перевод в СИ:

$m(NaCl) = 0,1755 \text{ кг}$

$\rho_{р-ра}(NaOH) = 1,1 \text{ г/мл} = 1100 \text{ кг/м}^3$

Найти:

$V_{р-ра}(NaOH)$ - ?

Решение

1. При действии концентрированной серной кислоты на твердый хлорид натрия выделяется газообразный хлороводород. Запишем уравнение реакции:

$NaCl + H_2SO_4 (конц.) \rightarrow NaHSO_4 + HCl\uparrow$

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) хлорида натрия, вступившего в реакцию. Для этого сначала найдем его молярную массу:

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

Теперь найдем количество вещества $NaCl$:

$n(NaCl) = \frac{m(NaCl)}{M(NaCl)} = \frac{175,5 \text{ г}}{58,5 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции, из 1 моль $NaCl$ образуется 1 моль $HCl$. Следовательно, количество вещества выделившегося хлороводорода равно количеству вещества хлорида натрия:

$n(HCl) = n(NaCl) = 3 \text{ моль}$

4. Полученный газ поглотили раствором гидроксида натрия. Происходит реакция нейтрализации:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

5. В условии сказано, что конечный раствор окрашивает лакмус в фиолетовый цвет. Это означает, что среда в растворе нейтральная ($pH = 7$). Такой результат возможен только в том случае, если кислота ($HCl$) и щелочь ($NaOH$) прореагировали полностью, не оставшись в избытке. Таким образом, количества веществ реагентов равны:

$n(NaOH) = n(HCl) = 3 \text{ моль}$

6. Теперь мы можем найти массу чистого гидроксида натрия, которая содержалась в исходном растворе. Молярная масса $NaOH$:

$M(NaOH) = M(Na) + M(O) + M(H) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

Масса $NaOH$:

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

7. Зная массу чистого вещества и его массовую долю в растворе (8%), найдем массу всего раствора гидроксида натрия:

$m_{р-ра}(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{\omega(NaOH)} = \frac{120 \text{ г}}{0,08} = 1500 \text{ г}$

8. Наконец, используя плотность раствора, рассчитаем его объем:

$V_{р-ра}(NaOH) = \frac{m_{р-ра}(NaOH)}{\rho_{р-ра}(NaOH)} = \frac{1500 \text{ г}}{1,1 \text{ г/мл}} \approx 1363,64 \text{ мл}$

Ответ: объем исходного раствора гидроксида натрия составляет примерно $1363,64 \text{ мл}$ (или $1,364 \text{ л}$).

7.65. Через трубку со смесью твёрдых хлорида и иодида натрия массой 53,4 г пропустили смесь хлора с углекислым газом. После окончания реакции масса твёрдого остатка составила 35,1 г, а на холодной части трубки образовались оранжевые кристаллы массой 46,7 г. Найдите объём хлора (н. у.), который израсходовался в ходе эксперимента.

Дано:

$m_{смеси}(NaCl + NaI) = 53,4 \text{ г}$

$m_{остатка}(NaCl) = 35,1 \text{ г}$

$m_{кристаллов} = 46,7 \text{ г}$

Перевод в систему СИ:

$m_{смеси} = 53,4 \text{ г} = 0,0534 \text{ кг}$

$m_{остатка} = 35,1 \text{ г} = 0,0351 \text{ кг}$

$m_{кристаллов} = 46,7 \text{ г} = 0,0467 \text{ кг}$

Найти:

$V(Cl_2)$ (н. у.) - ?

Решение:

При пропускании смеси хлора с углекислым газом через трубку с твердыми хлоридом и иодидом натрия протекают следующие реакции. Углекислый газ $CO_2$ в данных условиях инертен.

1. Хлор, как более активный галоген, вытесняет иод из иодида натрия:

$2NaI(тв) + Cl_2(г) \rightarrow 2NaCl(тв) + I_2(г)$

Твердый остаток в трубке после реакции представляет собой только хлорид натрия: исходный и образовавшийся в ходе реакции. Уменьшение массы твердого вещества в трубке ($53,4 \text{ г} \rightarrow 35,1 \text{ г}$) происходит из-за того, что атомы иода в кристаллической решетке замещаются более легкими атомами хлора. Рассчитаем количество вещества иодида натрия, вступившего в реакцию.

Пусть $n(NaI)$ - количество вещества прореагировавшего иодида натрия. Тогда, согласно уравнению реакции, образовалось такое же количество вещества хлорида натрия, $n(NaCl)_{обр} = n(NaI)$.

Изменение массы твердых веществ в трубке равно:

$\Delta m = m_{остатка} - m_{исх.смеси} = m(NaCl)_{обр} - m(NaI)_{прореаг}$

$\Delta m = 35,1 \text{ г} - 53,4 \text{ г} = -18,3 \text{ г}$

Выразим массы через количество вещества $n(NaI)$ и молярные массы:

$M(NaI) = 23 + 127 = 150 \text{ г/моль}$

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

$\Delta m = n(NaI) \cdot M(NaCl) - n(NaI) \cdot M(NaI) = n(NaI) \cdot (M(NaCl) - M(NaI))$

$-18,3 = n(NaI) \cdot (58,5 - 150) = n(NaI) \cdot (-91,5)$

$n(NaI) = \frac{-18,3}{-91,5} = 0,2 \text{ моль}$

Таким образом, в исходной смеси содержалось 0,2 моль иодида натрия.

2. Образовавшийся в первой реакции газообразный иод $I_2$ в холодной части трубки реагирует с избытком хлора. Оранжевые кристаллы, вероятно, являются трихлоридом иода $ICl_3$. Проверим это предположение.

Сначала найдем количество вещества иода, образовавшегося в первой реакции:

$n(I_2) = \frac{1}{2} n(NaI) = \frac{1}{2} \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

Уравнение реакции образования трихлорида иода:

$I_2(г) + 3Cl_2(г) \rightarrow 2ICl_3(тв)$

Из 0,1 моль $I_2$ должно образоваться:

$n(ICl_3) = 2 \cdot n(I_2) = 2 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$

Рассчитаем массу этого количества $ICl_3$:

$M(ICl_3) = 127 + 3 \cdot 35,5 = 127 + 106,5 = 233,5 \text{ г/моль}$

$m(ICl_3) = n(ICl_3) \cdot M(ICl_3) = 0,2 \text{ моль} \cdot 233,5 \text{ г/моль} = 46,7 \text{ г}$

Рассчитанная масса совпадает с массой оранжевых кристаллов из условия задачи (46,7 г). Следовательно, наше предположение верно.

3. Теперь найдем общий объем хлора, израсходованного в ходе эксперимента. Хлор расходовался в обеих реакциях.

Количество хлора для реакции (1):

$n_1(Cl_2) = \frac{1}{2} n(NaI) = \frac{1}{2} \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

Количество хлора для реакции (2):

$n_2(Cl_2) = 3 \cdot n(I_2) = 3 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

Общее количество вещества хлора:

$n_{общ}(Cl_2) = n_1(Cl_2) + n_2(Cl_2) = 0,1 \text{ моль} + 0,3 \text{ моль} = 0,4 \text{ моль}$

Объем хлора при нормальных условиях (н. у.) равен:

$V(Cl_2) = n_{общ}(Cl_2) \cdot V_m = 0,4 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 8,96 \text{ л}$

Ответ: объем израсходованного хлора составляет 8,96 л.

7.66. При взаимодействии 12,25 г технического хлората калия с избытком соляной кислоты выделился хлор, который поглотили избытком горячего раствора гидроксида натрия. При добавлении к получившемуся раствору избытка раствора нитрата серебра образовался осадок хлорида серебра массой 65,06 г. Какова массовая доля хлората калия в техническом образце?

Дано:

$m_{техн.} = 12.25 \text{ г}$

$m(AgCl) = 65.06 \text{ г}$

Перевод в СИ:

$m_{техн.} = 0.01225 \text{ кг}$

$m(AgCl) = 0.06506 \text{ кг}$

Найти:

$\omega(KClO_3) - ?$

Решение:

В ходе процесса протекают следующие химические реакции:

1. Взаимодействие хлората калия с соляной кислотой с выделением хлора:

$KClO_3 + 6HCl \rightarrow KCl + 3Cl_2\uparrow + 3H_2O$

2. Поглощение хлора избытком горячего раствора гидроксида натрия. В этой реакции хлор диспропорционирует, образуя хлорид натрия и хлорат натрия:

$3Cl_2 + 6NaOH \xrightarrow{t} 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O$

3. Осаждение хлорид-ионов из полученного раствора нитратом серебра. Осадок представляет собой хлорид серебра:

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

Для решения задачи установим стехиометрическое соотношение между исходным веществом (чистым хлоратом калия) и конечным продуктом (хлоридом серебра), масса которого известна.

Из уравнения (1) следует, что из 1 моль $KClO_3$ образуется 3 моль $Cl_2$.

$n(Cl_2) = 3 \cdot n(KClO_3)$

Из уравнения (2) следует, что из 3 моль $Cl_2$ образуется 5 моль $NaCl$.

$n(NaCl) = \frac{5}{3} \cdot n(Cl_2)$

Из уравнения (3) следует, что из 1 моль $NaCl$ образуется 1 моль $AgCl$.

$n(AgCl) = n(NaCl)$

Объединим эти соотношения, чтобы связать количество вещества $KClO_3$ с количеством вещества $AgCl$:

$n(KClO_3) = \frac{1}{3} n(Cl_2) = \frac{1}{3} \cdot (\frac{3}{5} n(NaCl)) = \frac{1}{5} n(NaCl) = \frac{1}{5} n(AgCl)$

Таким образом, общее мольное соотношение: $n(KClO_3) : n(AgCl) = 1:5$.

Теперь проведем вычисления. Сначала найдем молярные массы необходимых веществ, используя округленные атомные массы: $Ar(K)=39 \text{ а.е.м.}$, $Ar(Cl)=35.5 \text{ а.е.м.}$, $Ar(O)=16 \text{ а.е.м.}$, $Ar(Ag)=108 \text{ а.е.м.}$

$M(KClO_3) = 39 + 35.5 + 3 \cdot 16 = 122.5 \text{ г/моль}$

$M(AgCl) = 108 + 35.5 = 143.5 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества образовавшегося осадка хлорида серебра:

$n(AgCl) = \frac{m(AgCl)}{M(AgCl)} = \frac{65.06 \text{ г}}{143.5 \text{ г/моль}} \approx 0.4534 \text{ моль}$

Используя найденное стехиометрическое соотношение, вычислим количество вещества хлората калия, которое содержалось в техническом образце:

$n(KClO_3) = \frac{1}{5} n(AgCl) = \frac{1}{5} \cdot \frac{65.06}{143.5} \text{ моль} \approx 0.09068 \text{ моль}$

Теперь найдем массу чистого хлората калия в техническом образце:

$m_{чист}(KClO_3) = n(KClO_3) \cdot M(KClO_3) = (\frac{1}{5} \cdot \frac{65.06}{143.5}) \text{ моль} \cdot 122.5 \text{ г/моль}$

$m_{чист}(KClO_3) = \frac{65.06 \cdot 122.5}{5 \cdot 143.5} \text{ г} = \frac{7969.85}{717.5} \text{ г} \approx 11.108 \text{ г}$

Наконец, рассчитаем массовую долю ($\omega$) хлората калия в техническом образце:

$\omega(KClO_3) = \frac{m_{чист}(KClO_3)}{m_{техн.}} \cdot 100\% = \frac{11.108 \text{ г}}{12.25 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0.90678 \cdot 100\% \approx 90.68\%$

Ответ: массовая доля хлората калия в техническом образце составляет $90.68\%$.