Страница 205 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.114. Запишите уравнения реакций концентрированной серной кислоты со следующими кристаллическими веществами: иодид калия, нитрат калия, сульфид железа(II), сульфид меди(I), дихромат калия, перманганат калия.

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является сильным окислителем, а также сильной, нелетучей кислотой и водоотнимающим средством. Реакции с кристаллическими веществами часто протекают при небольшом нагревании и зависят от свойств реагента.

иодид калия

Иодид калия ($KI$) — сильный восстановитель. В реакции с концентрированной серной кислотой иодид-ион ($I^−$) окисляется до свободного иода ($I_2$), а сера ($S^{+6}$) в серной кислоте восстанавливается. Поскольку иодид-ион является сильным восстановителем, сера восстанавливается до низших степеней окисления, в основном до сероводорода ($H_2S$). Реакция протекает в избытке кислоты с образованием гидросульфата калия ($KHSO_4$).
Уравнение реакции:
$8KI_{(тв.)} + 9H_2SO_{4 (конц.)} \rightarrow 4I_2 + H_2S \uparrow + 8KHSO_4 + 4H_2O$
Ответ: $8KI_{(тв.)} + 9H_2SO_{4 (конц.)} \rightarrow 4I_2 + H_2S \uparrow + 8KHSO_4 + 4H_2O$

нитрат калия

Серная кислота является нелетучей кислотой и вытесняет более летучую азотную кислоту ($HNO_3$) из её соли, нитрата калия ($KNO_3$), при нагревании. Это стандартный лабораторный способ получения азотной кислоты. Окислительно-восстановительной реакции не происходит, так как оба реагента являются сильными окислителями. Образуется гидросульфат калия.
Уравнение реакции:
$KNO_{3 (тв.)} + H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$
Ответ: $KNO_{3 (тв.)} + H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

сульфид железа(II)

В сульфиде железа(II) ($FeS$) и железо($+2$), и сера($-2$) являются восстановителями. Концентрированная серная кислота окисляет железо до степени окисления $+3$, а сульфид-ион до степени окисления $+4$ (в составе $SO_2$). Сама серная кислота также восстанавливается до $SO_2$.
Уравнение реакции:
$2FeS_{(тв.)} + 10H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} Fe_2(SO_4)_3 + 9SO_2 \uparrow + 10H_2O$
Ответ: $2FeS_{(тв.)} + 10H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} Fe_2(SO_4)_3 + 9SO_2 \uparrow + 10H_2O$

сульфид меди(I)

Аналогично сульфиду железа(II), в сульфиде меди(I) ($Cu_2S$) и медь($+1$), и сера($-2$) являются восстановителями. Концентрированная серная кислота окисляет медь до степени окисления $+2$, а сульфид-ион до $SO_2$. Продуктом восстановления серной кислоты также является $SO_2$.
Уравнение реакции:
$Cu_2S_{(тв.)} + 6H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} 2CuSO_4 + 5SO_2 \uparrow + 6H_2O$
Ответ: $Cu_2S_{(тв.)} + 6H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{t} 2CuSO_4 + 5SO_2 \uparrow + 6H_2O$

дихромат калия

Дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$) — сильный окислитель, как и концентрированная серная кислота. Окислительно-восстановительной реакции между ними не происходит. Серная кислота выступает как водоотнимающее средство, реагируя с солью с образованием соответствующего ангидрида — оксида хрома(VI) ($CrO_3$) и гидросульфата калия.
Уравнение реакции:
$K_2Cr_2O_{7 (тв.)} + 2H_2SO_{4 (конц.)} \rightarrow 2CrO_3 \downarrow + 2KHSO_4 + H_2O$
Ответ: $K_2Cr_2O_{7 (тв.)} + 2H_2SO_{4 (конц.)} \rightarrow 2CrO_3 \downarrow + 2KHSO_4 + H_2O$

перманганат калия

Реакция перманганата калия ($KMnO_4$) с концентрированной серной кислотой аналогична реакции с дихроматом калия. Оба вещества — сильные окислители. Серная кислота дегидратирует перманганат-ион с образованием неустойчивого оксида марганца(VII) ($Mn_2O_7$) — тёмно-зелёной маслянистой жидкости, которая может разлагаться со взрывом. Реакцию проводят при охлаждении.
Уравнение реакции:
$2KMnO_{4 (тв.)} + 2H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{cold} Mn_2O_7 + 2KHSO_4 + H_2O$
Ответ: $2KMnO_{4 (тв.)} + 2H_2SO_{4 (конц.)} \xrightarrow{cold} Mn_2O_7 + 2KHSO_4 + H_2O$

7.115. Приведите примеры неорганических и органических веществ различных классов, которые не взаимодействуют с концентрированной серной кислотой.

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является очень сильным окислителем, сильной кислотой и мощным водоотнимающим средством. Однако существует ряд веществ из различных классов, которые в силу своих химических свойств устойчивы к её воздействию.

Неорганические вещества: Металлы

Некоторые металлы, такие как железо, алюминий, хром, на холоде пассивируются концентрированной серной кислотой. На их поверхности образуется тонкая, но очень прочная оксидная плёнка, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия. Это позволяет перевозить кислоту в стальных цистернах. Также с концентрированной $H_2SO_4$ не взаимодействуют благородные металлы (золото, платина) в силу своей исключительно низкой химической активности.

Ответ: железо ($Fe$), алюминий ($Al$), золото ($Au$), платина ($Pt$).

Неорганические вещества: Оксиды

Оксиды, в которых элемент уже находится в своей высшей степени окисления, не могут быть окислены дальше. Если такой оксид к тому же является кислотным, он не будет реагировать с другой кислотой. Классический пример — диоксид кремния ($SiO_2$), основной компонент песка и стекла. Он химически инертен и не вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой.

Ответ: диоксид кремния ($SiO_2$).

Неорганические вещества: Соли

Устойчивы к действию концентрированной $H_2SO_4$ соли, которые являются продуктами её же реакций, в особенности нерастворимые. Например, сульфат бария ($BaSO_4$) нерастворим и не будет с ней взаимодействовать. Также инертны сульфаты, образованные катионами, не проявляющими восстановительных свойств, например, сульфат калия ($K_2SO_4$).

Ответ: сульфат бария ($BaSO_4$), сульфат калия ($K_2SO_4$).

Органические вещества: Предельные углеводороды (алканы)

Молекулы алканов состоят из прочных малополярных $\sigma$-связей (C-C и C-H), которые трудно разорвать. У них нет кратных связей или функциональных групп, уязвимых для атаки сильной кислотой или окислителем. Поэтому при обычных условиях алканы инертны к концентрированной $H_2SO_4$.

Ответ: метан ($CH_4$), этан ($C_2H_6$), парафин (смесь высших алканов).

Органические вещества: Галогенопроизводные углеводородов

Особенно устойчивы полностью галогенированные соединения (пергалогенуглеводороды). Прочные связи углерод-галоген и пространственное экранирование углеродного скелета атомами галогенов делают эти вещества чрезвычайно химически инертными и устойчивыми к действию сильных окислителей и кислот.

Ответ: тетрахлорметан ($CCl_4$), политетрафторэтилен (тефлон, $(-CF_2-CF_2-)_n$).

7.116. При действии на сульфат бария концентрированной серной кислотой наблюдается растворение осадка, а при разбавлении раствора водой он выпадает снова. Дайте объяснение этому факту.

Решение

Данный процесс является примером обратимой химической реакции, положение равновесия которой зависит от концентрации реагентов.

Сульфат бария ($BaSO_4$) — это соль, практически нерастворимая в воде и разбавленных кислотах. Её растворимость очень мала, и в растворе устанавливается равновесие: $$BaSO_4(тв) \rightleftharpoons Ba^{2+}(р-р) + SO_4^{2-}(р-р)$$ Это равновесие сильно смещено влево.

При добавлении концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) происходит связывание сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) в гидросульфат-ионы ($HSO_4^-$). Ионы бария ($Ba^{2+}$) образуют с гидросульфат-ионами растворимую в концентрированной серной кислоте кислую соль — гидросульфат бария $Ba(HSO_4)_2$.

Суммарный процесс можно описать уравнением равновесия: $$BaSO_4(тв) + H_2SO_4(конц.) \rightleftharpoons Ba(HSO_4)_2(раств.)$$ В концентрированной кислоте равновесие смещается вправо, так как избыток $H_2SO_4$ способствует образованию гидросульфата бария. Это приводит к растворению осадка $BaSO_4$.

При разбавлении раствора водой концентрация серной кислоты уменьшается, а концентрация воды, наоборот, сильно возрастает. Согласно принципу Ле Шателье, это смещает равновесие влево. Гидросульфат бария взаимодействует с водой, образуя нерастворимый сульфат бария, который выпадает в осадок, и разбавленную серную кислоту: $$Ba(HSO_4)_2(раств.) + 2H_2O \rightleftharpoons BaSO_4(тв)\downarrow + 2H_2SO_4(разб.)$$ Таким образом, при добавлении воды система возвращается в исходное состояние, и осадок сульфата бария образуется снова.

Ответ: Растворение осадка сульфата бария в концентрированной серной кислоте происходит за счет образования растворимой кислой соли — гидросульфата бария $Ba(HSO_4)_2$. При разбавлении раствора водой равновесие смещается в обратную сторону, гидросульфат бария гидролизуется с образованием исходного нерастворимого сульфата бария $BaSO_4$, который выпадает в осадок.

7.117. При длительном кипячении осадка сульфата бария в насыщенном растворе карбоната натрия внешне никаких изменений не наблюдается, но осадок начинает растворяться в кислотах с выделением газа. Дайте объяснение этому факту.

Данное явление объясняется тем, что при длительном кипячении сульфата бария в насыщенном растворе карбоната натрия происходит химическая реакция превращения одного нерастворимого соединения в другое.

1. Изначально осадок представляет собой сульфат бария ($BaSO_4$). Это соль, образованная сильным основанием ($Ba(OH)_2$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$), поэтому она не вступает в реакцию с другими кислотами (например, $HCl$ или $HNO_3$) и не растворяется в них. Сульфат бария — одно из самых известных малорастворимых соединений, его произведение растворимости (ПР) очень мало: $ПР(BaSO_4) \approx 1.1 \cdot 10^{-10}$.

2. В насыщенном растворе карбоната натрия ($Na_2CO_3$) создается очень высокая концентрация карбонат-ионов ($CO_3^{2-}$). Несмотря на крайне низкую растворимость $BaSO_4$, в растворе устанавливается равновесие между твердой фазой и ионами:
$BaSO_4(тв) \rightleftharpoons Ba^{2+}(p-p) + SO_4^{2-}(p-p)$
Присутствующие в большом избытке карбонат-ионы связывают ионы бария $Ba^{2+}$ в новый осадок — карбонат бария ($BaCO_3$):
$Ba^{2+}(p-p) + CO_3^{2-}(p-p) \rightleftharpoons BaCO_3(тв)$

Карбонат бария также является нерастворимым соединением, но его произведение растворимости ($ПР(BaCO_3) \approx 5.1 \cdot 10^{-9}$) несколько выше, чем у сульфата бария. Реакция превращения одного осадка в другой возможна благодаря закону действия масс: высокая концентрация ионов $CO_3^{2-}$ сдвигает общее равновесие вправо. Суммарный процесс можно описать уравнением:
$BaSO_4(тв) + Na_2CO_3(p-p, конц.) \rightleftharpoons BaCO_3(тв) + Na_2SO_4(p-p)$
Поскольку и сульфат бария, и карбонат бария являются белыми порошкообразными веществами, визуально никаких изменений не происходит.

3. После обработки осадок в значительной степени состоит из карбоната бария ($BaCO_3$). В отличие от сульфата бария, карбонат бария является солью слабой угольной кислоты ($H_2CO_3$). Такие соли легко реагируют с сильными кислотами, при этом слабая кислота вытесняется из соли. Угольная кислота неустойчива и сразу разлагается на воду и углекислый газ, который выделяется в виде пузырьков. Осадок при этом растворяется, так как образуется растворимая соль (например, хлорид бария при реакции с соляной кислотой):
$BaCO_3(тв) + 2HCl(p-p) \rightarrow BaCl_2(p-p) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Таким образом, способность осадка растворяться в кислотах с выделением газа после кипячения в растворе соды доказывает, что исходный сульфат бария превратился в карбонат бария.

Ответ: При длительном кипячении осадка сульфата бария ($BaSO_4$) в насыщенном растворе карбоната натрия ($Na_2CO_3$) происходит химическое превращение: сульфат бария реагирует с карбонат-ионами, образуя карбонат бария ($BaCO_3$). Так как оба вещества представляют собой белые нерастворимые осадки, внешних изменений не наблюдается. Однако полученный карбонат бария, в отличие от исходного сульфата бария, является солью слабой кислоты и поэтому реагирует с сильными кислотами, растворяясь и выделяя углекислый газ ($CO_2$).

7.118. Почему в лаборатории практически не используют 100%-ю серную кислоту, хотя такое соединение известно?

Стопроцентная серная кислота ($H_2SO_4$), также известная как моногидрат, действительно существует, но в лабораторной практике её практически не применяют по нескольким весомым причинам. Вместо неё обычно используют концентрированную серную кислоту с массовой долей 96–98%.

Основные причины можно свести к следующему:

1. Высокая температура замерзания. Это главная и самая существенная причина. Чистая 100%-я серная кислота замерзает (кристаллизуется) уже при температуре +10,37 °C. В условиях обычной лаборатории, особенно в прохладное время года, кислота может легко затвердеть в бутыли, что делает невозможным её использование без предварительного и осторожного разогрева. Растворение даже небольшого количества воды (в результате чего концентрация становится, например, 98%) или оксида серы(VI) ($SO_3$) в кислоте значительно понижает её температуру замерзания, делая её удобной для хранения и использования в жидком виде в широком диапазоне температур.

2. Крайняя гигроскопичность и нестабильность концентрации. Стопроцентная серная кислота является чрезвычайно гигроскопичным веществом. При любом контакте с воздухом она жадно поглощает водяные пары, из-за чего её концентрация быстро падает. Это делает очень сложным поддержание точной 100%-й концентрации и, как следствие, делает её ненадёжным реагентом для точных аналитических работ. Каждый раз при открытии ёмкости её состав будет меняться.

3. Стабильность азеотропной смеси. Раствор серной кислоты с концентрацией 98,3% является азеотропной смесью с водой. Это означает, что при кипении такой смеси её состав и температура кипения (около 338 °C) остаются постоянными. В то же время 100%-я серная кислота при нагревании начинает разлагаться с выделением летучего оксида серы(VI) ($SO_3$), её состав меняется. Стабильность 98%-го раствора делает его более предсказуемым и удобным в работе, особенно в процессах, требующих нагревания.

4. Незначительное отличие в химических свойствах для большинства задач. Для подавляющего большинства лабораторных применений (в качестве сильной кислоты, водоотнимающего агента, катализатора, окислителя) разница в свойствах между 98%-й и 100%-й кислотой несущественна. Эффективность 98%-го раствора вполне достаточна, а удобство его использования несравнимо выше.

Таким образом, использование 100%-й серной кислоты сопряжено со значительными практическими трудностями (замерзание, изменение концентрации), которые не оправдываются какими-либо уникальными преимуществами для стандартных лабораторных процедур.

Ответ: Стопроцентную серную кислоту практически не используют в лабораториях из-за её высокой температуры замерзания (+10,37 °C), что создаёт неудобства при хранении и использовании, а также из-за её крайней гигроскопичности, приводящей к быстрому поглощению влаги из воздуха и, как следствие, к нестабильности её концентрации. Стандартный 96-98%-й раствор лишён этих недостатков и подходит для большинства задач.

7.119. Как отличить банку с олеумом от банки с концентрированной серной кислотой, не проводя химических реакций?

Чтобы отличить олеум от концентрированной серной кислоты, не прибегая к добавлению реагентов, следует использовать их ключевое физическое различие — способность к дымлению на воздухе.

Олеум представляет собой раствор триоксида серы ($SO_3$) в безводной серной кислоте ($H_2SO_4$). Триоксид серы является очень летучим веществом. При контакте с воздухом его пары вступают в реакцию с атмосферной влагой (парами воды), образуя аэрозоль — мельчайшие капельки серной кислоты. Визуально это наблюдается как густой белый дым (или туман) над поверхностью жидкости. Именно поэтому олеум часто называют «дымящей серной кислотой».

Концентрированная серная кислота (обычно 96-98% $H_2SO_4$) практически не содержит свободного $SO_3$. Она имеет очень низкую упругость пара при комнатной температуре и поэтому не дымит на воздухе.

Следовательно, для их различения необходимо с соблюдением всех мер предосторожности (в вытяжном шкафу, используя средства индивидуальной защиты) аккуратно приоткрыть крышки обеих банок. Та банка, над поверхностью жидкости в которой будет образовываться белый дым, содержит олеум.

Ответ: Необходимо осторожно приоткрыть банки. Над поверхностью олеума будет образовываться белый дым («туман») из-за реакции летучего триоксида серы ($SO_3$) с влагой воздуха, в то время как над концентрированной серной кислотой дыма не будет.

7.120. В запаянной ампуле содержится 1 мл жидкого сернистого газа с плотностью 1,49 г/мл. Ампулу вскрыли. Какой объём займёт содержащийся в ней сернистый газ при н. у.?

Дано:

$V_{жидк}(SO_2) = 1$ мл

$\rho_{жидк}(SO_2) = 1,49$ г/мл

Условия: н. у. (нормальные условия)

Найти:

$V_{газ}(SO_2)$ - ?

Решение:

1. Сначала найдем массу жидкого сернистого газа ($SO_2$), используя его объем и плотность. Формула для расчета массы: $m = \rho \cdot V$ Подставим известные значения: $m(SO_2) = 1,49 \text{ г/мл} \cdot 1 \text{ мл} = 1,49 \text{ г}$

2. Далее рассчитаем молярную массу сернистого газа ($SO_2$). Для этого воспользуемся периодической таблицей химических элементов для определения относительных атомных масс серы (S) и кислорода (O), округляя до целых чисел: $A_r(S) \approx 32$, $A_r(O) \approx 16$. $M(SO_2) = A_r(S) + 2 \cdot A_r(O) = 32 + 2 \cdot 16 = 64 \text{ г/моль}$

3. Теперь найдем количество вещества ($n$) сернистого газа, содержащееся в ампуле, по формуле: $n = \frac{m}{M}$ $n(SO_2) = \frac{1,49 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} \approx 0,02328 \text{ моль}$

4. По закону Авогадро, 1 моль любого газа при нормальных условиях (н. у.: температура 0 °C, давление 1 атм) занимает объем, равный молярному объему $V_m = 22,4$ л/моль. Вычислим объем, который займет сернистый газ при этих условиях: $V_{газ} = n \cdot V_m$ $V_{газ}(SO_2) = 0,02328 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} \approx 0,5215 \text{ л}$

Округлим полученный результат до трех значащих цифр, так как исходное значение плотности имеет три значащие цифры. $V_{газ}(SO_2) \approx 0,522 \text{ л}$

Ответ: $0,522$ л.

7.121. Один объём воды при 0 °C растворяет 80 объёмов сернистого газа. Считая, что весь сернистый газ превращается в сернистую кислоту, рассчитайте её максимально возможную процентную концентрацию в растворе.

Дано:

Температура, $T = 0 \, °C$
Растворимость $SO_2$: 1 объем $H_2O$ растворяет 80 объемов $SO_2$.
Реакция: $SO_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_3$ (протекает полностью)
Плотность воды при $0 \, °C$, $\rho(H_2O) \approx 1000 \, г/л$
Молярный объем газа при н.у. ($0 \, °C$, 1 атм), $V_m = 22.4 \, л/моль$

Найти:

Максимальную процентную концентрацию $H_2SO_3$, $\omega(H_2SO_3)$ - ?

Решение:

Процентная концентрация (массовая доля) вещества в растворе рассчитывается по формуле: $$ \omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% $$ В данном случае, растворенное вещество — сернистая кислота ($H_2SO_3$), а масса раствора — это сумма масс исходных компонентов: воды ($H_2O$) и сернистого газа ($SO_2$).

1. Выберем для удобства расчетов объем воды, равный $V(H_2O) = 1 \, \text{л}$.
Масса этого объема воды составит:
$m(H_2O) = V(H_2O) \cdot \rho(H_2O) = 1 \, \text{л} \cdot 1000 \, \text{г/л} = 1000 \, \text{г}$.

2. Согласно условию, в 1 л воды растворяется 80 л сернистого газа.
$V(SO_2) = 80 \cdot V(H_2O) = 80 \cdot 1 \, \text{л} = 80 \, \text{л}$.

3. Рассчитаем количество вещества и массу растворенного $SO_2$. Условия (0 °C) соответствуют нормальным условиям (н.у.), при которых молярный объем газа $V_m = 22.4 \, \text{л/моль}$.
Количество вещества $SO_2$:
$n(SO_2) = \frac{V(SO_2)}{V_m} = \frac{80 \, \text{л}}{22.4 \, \text{л/моль}} = \frac{25}{7} \, \text{моль} \approx 3.571 \, \text{моль}$.
Молярная масса $SO_2$:
$M(SO_2) = 32 + 2 \cdot 16 = 64 \, \text{г/моль}$.
Масса растворенного $SO_2$:
$m(SO_2) = n(SO_2) \cdot M(SO_2) = \frac{25}{7} \, \text{моль} \cdot 64 \, \text{г/моль} = \frac{1600}{7} \, \text{г} \approx 228.57 \, \text{г}$.

4. Рассчитаем массу сернистой кислоты, которая образуется в результате реакции. Уравнение реакции:
$SO_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_3$
Из уравнения видно, что из 1 моль $SO_2$ образуется 1 моль $H_2SO_3$. Следовательно, $n(H_2SO_3) = n(SO_2) = \frac{25}{7} \, \text{моль}$.
Молярная масса $H_2SO_3$:
$M(H_2SO_3) = 2 \cdot 1 + 32 + 3 \cdot 16 = 82 \, \text{г/моль}$.
Масса образовавшейся $H_2SO_3$:
$m(H_2SO_3) = n(H_2SO_3) \cdot M(H_2SO_3) = \frac{25}{7} \, \text{моль} \cdot 82 \, \text{г/моль} = \frac{2050}{7} \, \text{г} \approx 292.86 \, \text{г}$.

5. Найдем общую массу полученного раствора. По закону сохранения массы она равна сумме масс исходных реагентов:
$m(\text{раствора}) = m(H_2O) + m(SO_2) = 1000 \, \text{г} + \frac{1600}{7} \, \text{г} = \frac{7000+1600}{7} \, \text{г} = \frac{8600}{7} \, \text{г} \approx 1228.57 \, \text{г}$.

6. Рассчитаем максимальную процентную концентрацию сернистой кислоты в растворе:
$\omega(H_2SO_3) = \frac{m(H_2SO_3)}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{2050/7 \, \text{г}}{8600/7 \, \text{г}} \cdot 100\% = \frac{2050}{8600} \cdot 100\% = \frac{205}{860} \cdot 100\% \approx 23.837\%$.

Округлив результат до десятых, получаем 23.8%.

Ответ: Максимально возможная процентная концентрация сернистой кислоты в растворе составляет примерно 23.8%.

7.122. Какая соль образуется при пропускании избытка сернистого газа через раствор карбоната натрия? Запишите уравнение реакции.

Решение

Сернистый газ, или оксид серы(IV) ($SO_2$), является кислотным оксидом. При растворении в воде он образует слабую двухосновную сернистую кислоту ($H_2SO_3$):

$SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой угольной кислотой ($H_2CO_3$). Сернистая кислота является более сильной, чем угольная, поэтому она вытесняет угольную кислоту из её солей. Угольная кислота неустойчива и сразу разлагается на воду и углекислый газ.

Поскольку по условию задачи сернистый газ находится в избытке, реакция пойдет до образования кислой соли. Процесс можно представить в виде двух последовательных стадий:

1. Сначала образуется средняя соль — сульфит натрия:

$Na_2CO_3 + H_2SO_3 \rightarrow Na_2SO_3 + H_2O + CO_2 \uparrow$

2. Затем образовавшийся сульфит натрия реагирует с избытком сернистой кислоты, образуя кислую соль — гидросульфит натрия:

$Na_2SO_3 + H_2SO_3 \rightarrow 2NaHSO_3$

Суммируя эти две стадии или записав реакцию с исходными веществами ($SO_2$ и $H_2O$ вместо $H_2SO_3$), получим общее уравнение реакции для избытка сернистого газа:

$Na_2CO_3 + 2SO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHSO_3 + CO_2 \uparrow$

Таким образом, в результате реакции образуется кислая соль - гидросульфит натрия, и выделяется углекислый газ.

Ответ: При пропускании избытка сернистого газа через раствор карбоната натрия образуется кислая соль — гидросульфит натрия ($NaHSO_3$). Уравнение реакции: $Na_2CO_3 + 2SO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHSO_3 + CO_2 \uparrow$.

7.123. Как осуществить следующие превращения?

$\mathrm{a}) {\mathrm{H}}_2\mathrm{S}⟶{\mathrm{SO}}_2⟶{\mathrm{SO}}_3⟶{\mathrm{H}}_2{\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_7⟶{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$

$\mathrm{б}) {\mathrm{SBr}}_2⟶{\mathrm{SO}}_2⟶\mathrm{S}⟶{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}⟶{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4⟶{\mathrm{KHSO}}_4⟶{\mathrm{BaSO}}_4$

а) Для осуществления данной цепочки превращений $H_2S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2S_2O_7 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3$ можно провести следующие реакции:

1. $H_2S \rightarrow SO_2$
Сжигание сероводорода в избытке кислорода:
$2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2SO_2 + 2H_2O$

2. $SO_2 \rightarrow SO_3$
Каталитическое окисление диоксида серы кислородом в присутствии катализатора (оксида ванадия(V)) при нагревании:
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

3. $SO_3 \rightarrow H_2S_2O_7$
Растворение триоксида серы в концентрированной серной кислоте с образованием олеума (дисерной кислоты):
$SO_3 + H_2SO_4 \text{(конц.)} \rightarrow H_2S_2O_7$

4. $H_2S_2O_7 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3$
Реакция олеума с оксидом железа(III):
$Fe_2O_3 + 3H_2S_2O_7 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2SO_4$

Ответ: Уравнения реакций, необходимые для осуществления превращений: $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O$; $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$; $SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$; $Fe_2O_3 + 3H_2S_2O_7 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2SO_4$.

б) Для осуществления данной цепочки превращений $SBr_2 \rightarrow SO_2 \rightarrow S \rightarrow H_2S \rightarrow H_2SO_4 \rightarrow KHSO_4 \rightarrow BaSO_4$ можно провести следующие реакции:

1. $SBr_2 \rightarrow SO_2$
Окисление дибромида серы кислородом при нагревании:
$SBr_2 + O_2 \xrightarrow{t} SO_2 + Br_2$

2. $SO_2 \rightarrow S$
Восстановление диоксида серы сероводородом (реакция Клауса) с образованием элементарной серы:
$SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S \downarrow + 2H_2O$

3. $S \rightarrow H_2S$
Прямой синтез сероводорода из простых веществ при нагревании:
$S + H_2 \xrightarrow{t} H_2S$

4. $H_2S \rightarrow H_2SO_4$
Окисление сероводорода сильным окислителем, например, пероксидом водорода:
$H_2S + 4H_2O_2 \rightarrow H_2SO_4 + 4H_2O$

5. $H_2SO_4 \rightarrow KHSO_4$
Реакция серной кислоты с гидроксидом калия в мольном соотношении 1:1 для получения кислой соли — гидросульфата калия:
$H_2SO_4 + KOH \rightarrow KHSO_4 + H_2O$

6. $KHSO_4 \rightarrow BaSO_4$
Реакция ионного обмена между гидросульфатом калия и растворимой солью бария (например, хлоридом бария) с образованием нерастворимого осадка сульфата бария:
$KHSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + KCl + HCl$

Ответ: Уравнения реакций, необходимые для осуществления превращений: $SBr_2 + O_2 \rightarrow SO_2 + Br_2$; $SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S + 2H_2O$; $S + H_2 \rightarrow H_2S$; $H_2S + 4H_2O_2 \rightarrow H_2SO_4 + 4H_2O$; $H_2SO_4 + KOH \rightarrow KHSO_4 + H_2O$; $KHSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 + KCl + HCl$.

7.124. В каком объёмном отношении нужно смешать 40%-ю серную кислоту (плотность 1,30 г/мл) и воду для получения одномолярного раствора (плотность 1,07 г/мл )?

Дано:

Исходный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$):
Массовая доля, $w_1 = 40\% = 0.40$
Плотность, $\rho_1 = 1.30 \text{ г/мл}$

Конечный раствор серной кислоты:
Молярная концентрация, $C_{M,2} = 1 \text{ моль/л}$
Плотность, $\rho_2 = 1.07 \text{ г/мл}$

Добавляемое вещество: вода ($H_2O$)
Плотность воды, $\rho_{\text{H}_2\text{O}} = 1.00 \text{ г/мл}$

Молярная масса серной кислоты: $M(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

Найти:

Объёмное отношение исходного раствора кислоты к воде, $V_{кислоты} : V_{воды}$.

Решение:

Для удобства расчётов примем объём конечного раствора равным 1 литру (1000 мл).

1. Найдём массу 1 л конечного одномолярного раствора:

$m_{раствора, 2} = V_2 \cdot \rho_2 = 1000 \text{ мл} \cdot 1.07 \text{ г/мл} = 1070 \text{ г}$

2. Определим массу серной кислоты в этом растворе. Так как концентрация раствора 1 моль/л, в 1 литре содержится 1 моль $H_2SO_4$:

$m(\text{H}_2\text{SO}_4) = n \cdot M = 1 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 98 \text{ г}$

3. Вся эта масса серной кислоты поступила из исходного 40%-го раствора. Найдём массу исходного раствора, которая содержит 98 г $H_2SO_4$:

$m_{раствора, 1} = \frac{m(\text{H}_2\text{SO}_4)}{w_1} = \frac{98 \text{ г}}{0.40} = 245 \text{ г}$

4. Теперь вычислим объём этого количества исходного раствора:

$V_{кислоты} = \frac{m_{раствора, 1}}{\rho_1} = \frac{245 \text{ г}}{1.30 \text{ г/мл}} \approx 188.46 \text{ мл}$

5. Масса конечного раствора складывается из массы исходного раствора и массы добавленной воды. Найдём массу добавленной воды:

$m_{воды} = m_{раствора, 2} - m_{раствора, 1} = 1070 \text{ г} - 245 \text{ г} = 825 \text{ г}$

6. Найдём объём добавленной воды, принимая её плотность за 1 г/мл:

$V_{воды} = \frac{m_{воды}}{\rho_{\text{H}_2\text{O}}} = \frac{825 \text{ г}}{1.00 \text{ г/мл}} = 825 \text{ мл}$

7. Теперь можно найти искомое объёмное отношение, в котором нужно смешать исходный раствор кислоты и воду:

$\frac{V_{кислоты}}{V_{воды}} = \frac{245 / 1.30}{825} = \frac{245}{1.30 \cdot 825} = \frac{245}{1072.5} = \frac{2450}{10725}$

Сократим полученную дробь. Числитель и знаменатель делятся на 25:

$\frac{2450 \div 25}{10725 \div 25} = \frac{98}{429}$

Числа 98 ($= 2 \cdot 7^2$) и 429 ($= 3 \cdot 11 \cdot 13$) не имеют общих делителей, поэтому это отношение является окончательным.

Ответ: 40%-ю серную кислоту и воду нужно смешать в объёмном отношении $98 : 429$.

7.125. В 92 г 10,7%-й серной кислоты растворили 8 г серного ангидрида. Найдите массовую долю серной кислоты в конечном растворе.

Дано:

$m_{\text{р-ра1}} = 92 \text{ г}$ (масса исходного раствора серной кислоты)
$w_1(H_2SO_4) = 10.7\% = 0.107$ (массовая доля серной кислоты в исходном растворе)
$m(SO_3) = 8 \text{ г}$ (масса добавленного серного ангидрида)

Для решения данной задачи перевод в систему СИ не требуется, так как массовая доля является безразмерной величиной, и все расчеты удобно проводить в граммах.

Найти:

$w_{\text{кон}}(H_2SO_4)$ — массовую долю серной кислоты в конечном растворе.

Решение:

При растворении серного ангидрида ($SO_3$) в водном растворе серной кислоты он вступает в реакцию с водой, что приводит к образованию дополнительного количества серной кислоты. Уравнение этой химической реакции выглядит следующим образом:

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

1. Сначала определим массу серной кислоты, которая содержалась в исходном растворе:

$m_1(H_2SO_4) = m_{\text{р-ра1}} \cdot w_1(H_2SO_4) = 92 \text{ г} \cdot 0.107 = 9.844 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярные массы серного ангидрида и серной кислоты, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы (H ≈ 1, S ≈ 32, O ≈ 16):

$M(SO_3) = 32 + 3 \cdot 16 = 80 \text{ г/моль}$

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (в молях) добавленного серного ангидрида ($SO_3$):

$n(SO_3) = \frac{m(SO_3)}{M(SO_3)} = \frac{8 \text{ г}}{80 \text{ г/моль}} = 0.1 \text{ моль}$

4. Из уравнения реакции следует, что стехиометрическое соотношение между $SO_3$ и $H_2SO_4$ составляет 1:1. Это означает, что из 0.1 моль серного ангидрида образуется 0.1 моль серной кислоты:

$n_{\text{обр}}(H_2SO_4) = n(SO_3) = 0.1 \text{ моль}$

5. Вычислим массу серной кислоты, образовавшейся в ходе реакции:

$m_{\text{обр}}(H_2SO_4) = n_{\text{обр}}(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 0.1 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 9.8 \text{ г}$

6. Теперь определим общую массу серной кислоты в конечном растворе. Она равна сумме массы кислоты в исходном растворе и массы кислоты, которая образовалась дополнительно:

$m_{\text{кон}}(H_2SO_4) = m_1(H_2SO_4) + m_{\text{обр}}(H_2SO_4) = 9.844 \text{ г} + 9.8 \text{ г} = 19.644 \text{ г}$

7. Масса конечного раствора будет равна сумме массы исходного раствора и массы добавленного серного ангидрида (по закону сохранения массы):

$m_{\text{кон.р-ра}} = m_{\text{р-ра1}} + m(SO_3) = 92 \text{ г} + 8 \text{ г} = 100 \text{ г}$

8. На последнем этапе рассчитаем искомую массовую долю серной кислоты в конечном растворе по формуле:

$w_{\text{кон}}(H_2SO_4) = \frac{m_{\text{кон}}(H_2SO_4)}{m_{\text{кон.р-ра}}} \cdot 100\% = \frac{19.644 \text{ г}}{100 \text{ г}} \cdot 100\% = 19.644\%$

Ответ: массовая доля серной кислоты в конечном растворе составляет $19.644\%$.

7.126. Сколько тонн серной кислоты можно получить из 400 т серного колчедана, содержащего 45% серы?

Дано:

Масса серного колчедана $m(\text{колчедана}) = 400 \text{ т}$
Массовая доля серы в колчедане $w(S) = 45\% = 0.45$

Найти:

$m(H_2SO_4) - ?$

Решение:

Процесс получения серной кислоты из серного колчедана (основной компонент - пирит, $FeS_2$) является многостадийным. Однако для решения задачи можно рассмотреть суммарную схему превращения всей серы, содержащейся в исходном сырье, в конечный продукт — серную кислоту. Предполагается, что все реакции протекают с количественным выходом.

Схематично превращение серы можно записать так:

$S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4$

Из этой схемы видно, что из одного атома серы в конечном итоге образуется одна молекула серной кислоты. Следовательно, количество вещества серы ($n(S)$) равно количеству вещества полученной серной кислоты ($n(H_2SO_4)$):

$n(S) = n(H_2SO_4)$

1. Рассчитаем массу чистой серы, которая содержится в 400 тоннах серного колчедана.

$m(S) = m(\text{колчедана}) \times w(S) = 400 \text{ т} \times 0.45 = 180 \text{ т}$

2. Определим молярные массы серы ($S$) и серной кислоты ($H_2SO_4$), используя округленные значения атомных масс: $Ar(H)=1$, $Ar(S)=32$, $Ar(O)=16$.

$M(S) = 32 \text{ г/моль}$
$M(H_2SO_4) = 2 \times 1 + 32 + 4 \times 16 = 98 \text{ г/моль}$

3. Поскольку количество вещества ($n$) равно отношению массы ($m$) к молярной массе ($M$), то есть $n = m/M$, наше равенство количеств веществ можно записать в виде пропорции масс и молярных масс:

$\frac{m(S)}{M(S)} = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)}$

4. Выразим из этого уравнения массу серной кислоты и подставим известные значения. Так как в левой и правой частях уравнения молярные массы имеют одинаковую размерность (г/моль), а масса серы выражена в тоннах, то и масса серной кислоты будет получена в тоннах.

$m(H_2SO_4) = \frac{m(S) \times M(H_2SO_4)}{M(S)}$

$m(H_2SO_4) = \frac{180 \text{ т} \times 98}{32} = 551.25 \text{ т}$

Ответ: из 400 т серного колчедана, содержащего 45% серы, можно получить 551,25 т серной кислоты.