Страница 206 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.127. При растворении 9 г металла в разбавленной серной кислоте выделилось 11,2 л газа (н. у.). Определите металл.

Дано:

$m(\text{металла}) = 9 \text{ г}$

$V(\text{газа}) = 11,2 \text{ л}$ (н. у.)

Найти:

Металл - ?

Решение:

При взаимодействии металлов, стоящих в ряду активности левее водорода, с разбавленной серной кислотой выделяется газообразный водород ($H_2$).

1. Запишем уравнение реакции в общем виде, где Me – неизвестный металл, а $n$ – его валентность:

$2\text{Me} + n\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Me}_2(\text{SO}_4)_n + n\text{H}_2 \uparrow$

2. Найдем количество вещества выделившегося водорода. Объем газа дан при нормальных условиях (н. у.), а молярный объем газа при н. у. ($V_m$) равен 22,4 л/моль.

$\nu(\text{H}_2) = \frac{V(\text{H}_2)}{V_m} = \frac{11,2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,5 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количество вещества металла. Составим пропорцию на основе стехиометрических коэффициентов:

$\frac{\nu(\text{Me})}{2} = \frac{\nu(\text{H}_2)}{n}$

Отсюда выразим количество вещества металла:

$\nu(\text{Me}) = \frac{2 \cdot \nu(\text{H}_2)}{n} = \frac{2 \cdot 0,5 \text{ моль}}{n} = \frac{1}{n} \text{ моль}$

4. Зная массу и количество вещества металла, можно найти его молярную массу ($M$):

$M(\text{Me}) = \frac{m(\text{Me})}{\nu(\text{Me})} = \frac{9 \text{ г}}{1/n \text{ моль}} = 9n \text{ г/моль}$

5. Молярная масса металла численно равна его относительной атомной массе. Подберем возможное значение валентности $n$, чтобы найти массу, соответствующую реальному металлу.

Если $n=1$ (металл одновалентен), то $M(\text{Me}) = 9 \cdot 1 = 9 \text{ г/моль}$. Это относительная атомная масса бериллия (Be), но бериллий обычно проявляет валентность II.
Если $n=2$ (металл двухвалентен), то $M(\text{Me}) = 9 \cdot 2 = 18 \text{ г/моль}$. Металла с такой атомной массой не существует.
Если $n=3$ (металл трехвалентен), то $M(\text{Me}) = 9 \cdot 3 = 27 \text{ г/моль}$. Эта молярная масса соответствует алюминию (Al), который является трехвалентным металлом.

6. Проверим, подходит ли алюминий. Уравнение реакции с алюминием:

$2\text{Al} + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{H}_2 \uparrow$

Найдем количество вещества алюминия:

$\nu(\text{Al}) = \frac{m(\text{Al})}{M(\text{Al})} = \frac{9 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = \frac{1}{3} \text{ моль}$

По уравнению реакции, из 2 моль Al образуется 3 моль H₂. Значит, из 1/3 моль Al образуется:

$\nu(\text{H}_2) = \frac{3}{2} \cdot \nu(\text{Al}) = \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{3} \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$

Найдем объем водорода, который должен был выделиться:

$V(\text{H}_2) = \nu(\text{H}_2) \cdot V_m = 0,5 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 11,2 \text{ л}$

Расчетное значение совпадает с данным в условии задачи. Следовательно, неизвестный металл — алюминий.

Ответ: Алюминий (Al).

7.128. При растворении 12 г металла в разбавленной серной кислоте выделилось 11,2 л газа (н. у.). Определите металл.

Дано:

$m(Me) = 12 \text{ г}$
$V(газа) = 11.2 \text{ л (н. у.)}$

Перевод в систему СИ:

$m(Me) = 0.012 \text{ кг}$
$V(газа) = 11.2 \times 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

Металл ($Me$) - ?

Решение:

При взаимодействии активных металлов (стоящих в электрохимическом ряду напряжений до водорода) с разбавленными кислотами-неокислителями, такой как серная кислота, происходит реакция замещения с выделением газообразного водорода ($H_2$).

Запишем уравнение реакции в общем виде, где $Me$ - неизвестный металл, а $z$ - его валентность в образующейся соли (сульфате):

$2Me + zH_2SO_4 \rightarrow Me_2(SO_4)_z + zH_2\uparrow$

1. Сначала определим количество вещества (число моль) выделившегося водорода. По закону Авогадро, при нормальных условиях (н. у.) 1 моль любого газа занимает объем $V_m = 22.4$ л.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{11.2 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

2. Используя уравнение реакции, найдем соотношение между количеством вещества металла и количеством вещества водорода. Из стехиометрических коэффициентов видно, что:

$\frac{n(Me)}{2} = \frac{n(H_2)}{z}$

Выразим отсюда количество вещества металла $n(Me)$:

$n(Me) = \frac{2 \cdot n(H_2)}{z} = \frac{2 \cdot 0.5 \text{ моль}}{z} = \frac{1}{z} \text{ моль}$

3. Молярная масса металла ($M(Me)$) вычисляется как отношение его массы ($m(Me)$) к количеству вещества ($n(Me)$):

$M(Me) = \frac{m(Me)}{n(Me)}$

Подставим в эту формулу известные нам массу и выражение для количества вещества металла:

$M(Me) = \frac{12 \text{ г}}{\frac{1}{z} \text{ моль}} = 12 \cdot z \text{ г/моль}$

4. Мы получили зависимость молярной массы металла от его валентности. Теперь, чтобы найти металл, подставим наиболее распространенные для металлов значения валентности ($z=1, 2, 3$):

• При $z = 1$: $M(Me) = 12 \cdot 1 = 12$ г/моль. Такой молярной массой обладает углерод ($C$), который является неметаллом и не реагирует с разбавленной серной кислотой с выделением водорода.
• При $z = 2$: $M(Me) = 12 \cdot 2 = 24$ г/моль. Такая молярная масса соответствует магнию ($Mg$). Магний — это щелочноземельный металл II группы, проявляющий валентность +2, он активно реагирует с разбавленной $H_2SO_4$. Этот вариант нам подходит.
• При $z = 3$: $M(Me) = 12 \cdot 3 = 36$ г/моль. Элемента с такой атомной массой в периодической таблице не существует.

Таким образом, неизвестный металл — это магний.

Проведем проверку. Уравнение реакции для магния:

$Mg + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$

Найдем количество вещества 12 г магния: $n(Mg) = \frac{m(Mg)}{M(Mg)} = \frac{12 \text{ г}}{24 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$.

Согласно уравнению, $n(H_2) = n(Mg) = 0.5 \text{ моль}$.

Объем водорода, который выделится в реакции, равен: $V(H_2) = n(H_2) \cdot V_m = 0.5 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 11.2 \text{ л}$.

Расчетное значение совпадает с данными задачи, следовательно, решение верное.

Ответ: искомый металл – магний ($Mg$).

7.129. В одном литре 5%-й серной кислоты (плотность 1,03 г/мл) растворили 21 г лития. Найдите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = 1$ л

$w(H_2SO_4) = 5\%$

$\rho_{р-ра} = 1,03$ г/мл

$m(Li) = 21$ г

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = 1 \text{ л} = 10^{-3} \text{ м}^3$
$\rho_{р-ра} = 1,03 \text{ г/мл} = 1030 \text{ кг/м}^3$
$m(Li) = 21 \text{ г} = 0,021 \text{ кг}$

Найти:

$w_{конечн}(веществ) - ?$

Решение:

1. Найдем массу исходного 5%-го раствора серной кислоты объемом 1 литр (1000 мл):

$m_{р-ра} = V_{р-ра} \cdot \rho_{р-ра} = 1000 \text{ мл} \cdot 1,03 \text{ г/мл} = 1030 \text{ г}$

2. Рассчитаем массу серной кислоты ($H_2SO_4$) и воды ($H_2O$) в исходном растворе:

$m(H_2SO_4) = m_{р-ра} \cdot w(H_2SO_4) = 1030 \text{ г} \cdot 0,05 = 51,5 \text{ г}$

$m(H_2O) = m_{р-ра} - m(H_2SO_4) = 1030 \text{ г} - 51,5 \text{ г} = 978,5 \text{ г}$

3. При добавлении лития ($Li$) в раствор серной кислоты протекают две последовательные реакции. Сначала литий реагирует с кислотой:

$2Li + H_2SO_4 \rightarrow Li_2SO_4 + H_2 \uparrow$

Поскольку литий — очень активный металл, его избыток будет реагировать с водой:

$2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2 \uparrow$

4. Рассчитаем количества веществ (в молях) для исходных реагентов, используя их молярные массы:

$M(Li) = 7$ г/моль

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

$n(Li) = \frac{m(Li)}{M(Li)} = \frac{21 \text{ г}}{7 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{51,5 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} \approx 0,5255 \text{ моль}$

5. Определим, какое из веществ находится в недостатке для первой реакции. Согласно стехиометрии, на 1 моль $H_2SO_4$ требуется 2 моль $Li$.

Требуемое количество лития для полной реакции с кислотой: $n_{треб}(Li) = 2 \cdot n(H_2SO_4) = 2 \cdot 0,5255 \text{ моль} \approx 1,051 \text{ моль}$.

Поскольку в наличии имеется 3 моль лития ($3 \text{ моль} > 1,051 \text{ моль}$), литий находится в избытке, а серная кислота — в недостатке. Все дальнейшие расчеты продуктов первой реакции ведем по кислоте.

6. Рассчитаем массы продуктов реакций. Вся серная кислота прореагирует, а избыток лития прореагирует с водой.

Количество образовавшегося сульфата лития ($Li_2SO_4$) равно количеству серной кислоты:

$n(Li_2SO_4) = n(H_2SO_4) \approx 0,5255 \text{ моль}$

$M(Li_2SO_4) = 2 \cdot 7 + 32 + 4 \cdot 16 = 110$ г/моль

$m(Li_2SO_4) = n(Li_2SO_4) \cdot M(Li_2SO_4) \approx 0,5255 \text{ моль} \cdot 110 \text{ г/моль} \approx 57,81 \text{ г}$

Количество избыточного лития, который прореагирует с водой:

$n_{изб}(Li) = n_{общ}(Li) - n_{треб}(Li) \approx 3 - 1,051 = 1,949 \text{ моль}$

Количество образовавшегося гидроксида лития ($LiOH$) равно количеству избыточного лития:

$n(LiOH) = n_{изб}(Li) \approx 1,949 \text{ моль}$

$M(LiOH) = 7 + 16 + 1 = 24$ г/моль

$m(LiOH) = n(LiOH) \cdot M(LiOH) \approx 1,949 \text{ моль} \cdot 24 \text{ г/моль} \approx 46,78 \text{ г}$

7. Рассчитаем массу выделившегося водорода ($H_2$). В обеих реакциях на 2 моль лития выделяется 1 моль водорода. Так как всего прореагировало 3 моль лития, общее количество выделившегося водорода составит:

$n(H_2) = \frac{1}{2} n_{общ}(Li) = \frac{1}{2} \cdot 3 \text{ моль} = 1,5 \text{ моль}$

$M(H_2) = 2$ г/моль

$m(H_2) = n(H_2) \cdot M(H_2) = 1,5 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 3 \text{ г}$

8. Найдем массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходного раствора и добавленного лития за вычетом массы улетевшего водорода:

$m_{конечн.р-ра} = m_{исх.р-ра} + m(Li) - m(H_2) = 1030 \text{ г} + 21 \text{ г} - 3 \text{ г} = 1048 \text{ г}$

9. Найдем массовые доли веществ (сульфата лития и гидроксида лития) в полученном растворе:

$w(Li_2SO_4) = \frac{m(Li_2SO_4)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{57,81 \text{ г}}{1048 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 5,52\%$

$w(LiOH) = \frac{m(LiOH)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{46,78 \text{ г}}{1048 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 4,46\%$

Ответ: Массовая доля сульфата лития ($Li_2SO_4$) в полученном растворе составляет примерно 5,52%, а массовая доля гидроксида лития ($LiOH$) – примерно 4,46%.

7.130. Какую массу медного купороса можно получить, имея в распоряжении 6 г оксида меди(II) и 50 г 4,9%-й серной кислоты? Найдите массовую долю сульфата меди в полученном растворе.

Дано:

$m(CuO) = 6 \text{ г}$

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 50 \text{ г}$

$\omega(H_2SO_4) = 4,9\% = 0,049$

Найти:

$m(CuSO_4 \cdot 5H_2O)$ — ?

$\omega_{кон}(CuSO_4)$ — ?

Решение:

1. Составим уравнение реакции между оксидом меди(II) и серной кислотой. В результате реакции образуются сульфат меди(II) и вода.

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, используя округленные значения атомных масс: $Ar(Cu)=64$, $Ar(O)=16$, $Ar(H)=1$, $Ar(S)=32$.

$M(CuO) = 64 + 16 = 80 \text{ г/моль}$

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

$M(CuSO_4) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$

Медный купорос — это кристаллогидрат сульфата меди(II), его формула $CuSO_4 \cdot 5H_2O$.

$M(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = M(CuSO_4) + 5 \cdot M(H_2O) = 160 + 5 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 160 + 90 = 250 \text{ г/моль}$

3. Определим, какой из реагентов находится в недостатке. Для этого найдем количество вещества каждого реагента.

Масса чистой серной кислоты в растворе:

$m(H_2SO_4) = m_{р-ра}(H_2SO_4) \cdot \omega(H_2SO_4) = 50 \text{ г} \cdot 0,049 = 2,45 \text{ г}$

Количество вещества серной кислоты:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{2,45 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0,025 \text{ моль}$

Количество вещества оксида меди(II):

$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{6 \text{ г}}{80 \text{ г/моль}} = 0,075 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, реагенты взаимодействуют в мольном соотношении $1:1$. Так как $n(H_2SO_4) = 0,025 \text{ моль}$, а $n(CuO) = 0,075 \text{ моль}$, то серная кислота находится в недостатке ($0,025 < 0,075$). Дальнейшие расчеты ведем по веществу в недостатке — по серной кислоте.

Какую массу медного купороса можно получить?

Количество вещества медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$), которое можно получить, равно количеству вещества прореагировавшей серной кислоты, так как по уравнению реакции $n(H_2SO_4) = n(CuSO_4)$.

$n(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = n(H_2SO_4) = 0,025 \text{ моль}$

Масса медного купороса, которую можно получить:

$m(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = n(CuSO_4 \cdot 5H_2O) \cdot M(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = 0,025 \text{ моль} \cdot 250 \text{ г/моль} = 6,25 \text{ г}$

Ответ: можно получить 6,25 г медного купороса.

Найдите массовую долю сульфата меди в полученном растворе.

Сначала найдем массу образовавшегося безводного сульфата меди ($CuSO_4$) и массу конечного раствора.

Масса образовавшегося сульфата меди:

$n(CuSO_4) = n(H_2SO_4) = 0,025 \text{ моль}$

$m(CuSO_4) = n(CuSO_4) \cdot M(CuSO_4) = 0,025 \text{ моль} \cdot 160 \text{ г/моль} = 4,0 \text{ г}$

Масса конечного раствора равна сумме массы исходного раствора серной кислоты и массы оксида меди(II), который прореагировал. Непрореагировавший оксид меди является твердым осадком и в массу раствора не входит.

Масса прореагировавшего оксида меди(II):

$n(CuO)_{\text{реаг.}} = n(H_2SO_4) = 0,025 \text{ моль}$

$m(CuO)_{\text{реаг.}} = n(CuO)_{\text{реаг.}} \cdot M(CuO) = 0,025 \text{ моль} \cdot 80 \text{ г/моль} = 2,0 \text{ г}$

Масса конечного раствора:

$m_{кон. р-ра} = m_{р-ра}(H_2SO_4) + m(CuO)_{\text{реаг.}} = 50 \text{ г} + 2,0 \text{ г} = 52,0 \text{ г}$

Массовая доля сульфата меди в полученном растворе:

$\omega_{кон}(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{m_{кон. р-ра}} \cdot 100\% = \frac{4,0 \text{ г}}{52,0 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 7,69\%$

Ответ: массовая доля сульфата меди в полученном растворе составляет 7,69%.

7.131. Какой объём сернистого газа (н. у.) образуется при обжиге 360 кг пирита, содержащего 5% пустой породы?

Дано:

Перевод в СИ и удобные для расчета единицы:

Найти:

Объём сернистого газа $V(SO_2)$ (н.у.) - ?

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции обжига пирита ($FeS_2$). При обжиге пирит реагирует с кислородом с образованием оксида железа(III) и сернистого газа ($SO_2$):

$4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

2. Рассчитаем массовую долю чистого пирита ($FeS_2$) в исходном сырье. Если массовая доля примесей составляет 5%, то массовая доля чистого вещества равна:

$\omega(FeS_2) = 100\% - \omega_{прим.} = 100\% - 5\% = 95\%$ или 0.95.

3. Найдём массу чистого пирита, которая подвергается обжигу:

$m(FeS_2) = m_{техн.} \times \omega(FeS_2) = 360 \text{ кг} \times 0.95 = 342$ кг.

4. Вычислим молярную массу пирита ($FeS_2$), используя относительные атомные массы: $Ar(Fe) \approx 56$, $Ar(S) \approx 32$.

$M(FeS_2) = Ar(Fe) + 2 \times Ar(S) = 56 + 2 \times 32 = 120$ г/моль.

Для удобства расчетов будем использовать молярную массу в кг/кмоль: $M(FeS_2) = 120$ кг/кмоль.

5. Найдем количество вещества пирита в киломолях:

$n(FeS_2) = \frac{m(FeS_2)}{M(FeS_2)} = \frac{342 \text{ кг}}{120 \text{ кг/кмоль}} = 2.85$ кмоль.

6. По уравнению реакции определим количество вещества сернистого газа ($SO_2$), которое образуется. Согласно стехиометрическим коэффициентам, из 4 моль $FeS_2$ образуется 8 моль $SO_2$. Таким образом, их мольное соотношение:

$\frac{n(FeS_2)}{4} = \frac{n(SO_2)}{8}$

Отсюда следует, что количество вещества $SO_2$ в два раза больше количества вещества $FeS_2$:

$n(SO_2) = 2 \times n(FeS_2) = 2 \times 2.85 \text{ кмоль} = 5.7$ кмоль.

7. Рассчитаем объём сернистого газа при нормальных условиях (н.у.). Молярный объём любого идеального газа при н.у. ($V_m$) равен 22.4 л/моль или 22.4 м³/кмоль.

$V(SO_2) = n(SO_2) \times V_m = 5.7 \text{ кмоль} \times 22.4 \frac{\text{м}^3}{\text{кмоль}} = 127.68$ м³.

Ответ: объём образовавшегося сернистого газа составляет $127.68$ м³.

7.132. Приведите два примера оксидов, с которыми не взаимодействует концентрированная серная кислота.

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) — это сильная кислота и сильный окислитель. Она вступает в реакцию с большинством основных и амфотерных оксидов, а также с некоторыми кислотными оксидами (выступая в роли окислителя или водоотнимающего средства). Однако существуют оксиды, которые с ней не взаимодействуют из-за своей высокой химической инертности.

Одним из таких примеров является оксид кремния(IV) ($SiO_2$). Это кислотный оксид, основной компонент песка и кварца. Он имеет очень прочную атомную кристаллическую решетку, что делает его химически стойким к действию большинства кислот. Концентрированная серная кислота не способна разрушить эту структуру, поэтому реакция не протекает: $SiO_2 + H_2SO_4(\text{конц.}) \nrightarrow$.

Вторым примером может служить оксид алюминия ($Al_2O_3$). Это амфотерный оксид. Особенно его кристаллическая форма — корунд — отличается высокой твердостью и химической инертностью из-за большой энергии кристаллической решетки. При обычных условиях концентрированная серная кислота не реагирует с оксидом алюминия. Реакция возможна лишь при сильном и длительном нагревании, поэтому в стандартных условиях его можно считать инертным: $Al_2O_3 + H_2SO_4(\text{конц.}) \nrightarrow$.

Ответ: оксид кремния(IV) ($SiO_2$) и оксид алюминия ($Al_2O_3$).

7.133. На чём основано водоотнимающее действие концентрированной серной кислоты?

Водоотнимающее действие концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) основано на её чрезвычайно высокой гигроскопичности, то есть способности активно поглощать воду из окружающей среды. Это свойство обусловлено сильным химическим сродством безводной серной кислоты к воде.

Процесс поглощения воды является не просто физическим растворением, а бурной экзотермической химической реакцией гидратации. В ходе этой реакции молекулы серной кислоты взаимодействуют с молекулами воды, образуя прочные соединения — гидраты ($H_2SO_4 \cdot nH_2O$), например, моногидрат ($H_2SO_4 \cdot H_2O$) и дигидрат ($H_2SO_4 \cdot 2H_2O$).

Процесс гидратации можно описать общим уравнением:

$H_2SO_4 (конц.) + nH_2O \rightarrow H_2SO_4 \cdot nH_2O + Q$

где $Q$ — значительное количество выделяющейся теплоты.

Именно образование этих энергетически выгодных и устойчивых гидратов является движущей силой процесса. Сродство к воде настолько велико, что концентрированная $H_2SO_4$ способна отнимать:

• Свободную воду (например, из влажного воздуха или при осушении газов и органических растворителей).
• Химически связанную воду, то есть отщеплять атомы водорода и кислорода в соотношении 2:1 от молекул других веществ.

Классическим примером такого «жесткого» обезвоживания является обугливание сахара (сахарозы). Серная кислота отнимает от молекулы сахарозы $C_{12}H_{22}O_{11}$ одиннадцать молекул воды, оставляя после себя черный пористый уголь:

$C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{H_2SO_4 (конц.)} 12C + 11H_2O$

Аналогично кислота действует на другие органические соединения, содержащие гидроксильные группы, например, на клетчатку (бумага, древесина) или спирты. В органическом синтезе это свойство используется для проведения реакций дегидратации, например, при получении простого диэтилового эфира или непредельного углеводорода этилена из этилового спирта:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4 (конц.), t > 140^\circ C} C_2H_4\uparrow + H_2O$

Ответ: Водоотнимающее действие концентрированной серной кислоты основано на её высоком химическом сродстве к воде. Этот процесс представляет собой экзотермическую реакцию гидратации с образованием устойчивых гидратов ($H_2SO_4 \cdot nH_2O$), что позволяет кислоте поглощать как свободную воду, так и отщеплять элементы воды (атомы водорода и кислорода в соотношении 2:1) от молекул других химических соединений.

7.134. Какие из перечисленных газов: азот, кислород, хлороводород, иодоводород, аммиак, сероводород – можно осушить концентрированной серной кислотой? Обоснуйте свой выбор.

Решение

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является эффективным осушителем, так как активно поглощает воду. Однако ее можно применять только для осушки тех газов, которые не вступают с ней в химическое взаимодействие. Поскольку концентрированная $H_2SO_4$ является сильной кислотой и сильным окислителем, она будет реагировать с газами, обладающими основными свойствами или являющимися восстановителями.

Рассмотрим каждый из перечисленных газов:

Азот ($N_2$)

Азот — химически инертный газ, который в обычных условиях не реагирует с концентрированной серной кислотой. Следовательно, его можно осушать с помощью $H_2SO_4$.

Кислород ($O_2$)

Кислород, как и азот, не взаимодействует с концентрированной серной кислотой. Его также можно осушать этим методом.

Хлороводород ($HCl$)

Хлороводород является кислотным газом и не реагирует с серной кислотой (реакция между двумя кислотами в данном случае не идет). Кроме того, хлорид-ион ($Cl^−$) — очень слабый восстановитель и не окисляется концентрированной $H_2SO_4$. Таким образом, хлороводород можно осушать концентрированной серной кислотой.

Иодоводород ($HI$)

Иодоводород является сильным восстановителем и вступает в окислительно-восстановительную реакцию с концентрированной серной кислотой (окислителем):

$8HI + H_2SO_4 \rightarrow 4I_2 + H_2S + 4H_2O$

Поэтому осушать иодоводород с помощью $H_2SO_4$ нельзя.

Аммиак ($NH_3$)

Аммиак — газ с основными свойствами. Он вступает в реакцию нейтрализации с серной кислотой, образуя соль — сульфат аммония:

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

Следовательно, аммиак нельзя осушать концентрированной серной кислотой.

Сероводород ($H_2S$)

Сероводород является сильным восстановителем и легко окисляется концентрированной серной кислотой:

$H_2S + H_2SO_4 \rightarrow S + SO_2 + 2H_2O$

По этой причине сероводород нельзя осушать концентрированной $H_2SO_4$.

Ответ: Концентрированной серной кислотой можно осушить азот, кислород и хлороводород. Аммиак, иодоводород и сероводород осушать этим способом нельзя, так как они вступают в химическую реакцию с серной кислотой.

7.135. Почему водный раствор гидросульфата натрия имеет кислотную реакцию среды?

Гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) — это кислая соль, образованная сильным основанием, гидроксидом натрия ($NaOH$), и сильной двухосновной кислотой, серной кислотой ($H_2SO_4$).

При растворении в воде эта соль как сильный электролит полностью диссоциирует на ионы:

$NaHSO_4 \rightarrow Na^+ + HSO_4^-$

Далее необходимо проанализировать поведение каждого иона в водном растворе.

Катион натрия ($Na^+$) образован сильным основанием, поэтому он не вступает в реакцию гидролиза (не взаимодействует с водой) и не влияет на pH среды.

Гидросульфат-анион ($HSO_4^-$) — это анион, который, хотя и является остатком сильной серной кислоты, сам способен к дальнейшей диссоциации, выступая в роли слабой кислоты. Этот процесс является обратимым:

$HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$

В результате этой диссоциации в растворе появляются избыточные ионы водорода ($H^+$), которые и обуславливают кислотную реакцию среды (pH < 7).

Ответ: Водный раствор гидросульфата натрия имеет кислотную реакцию среды из-за диссоциации гидросульфат-иона ($HSO_4^-$), в результате которой в растворе увеличивается концентрация ионов водорода ($H^+$).

7.136. Запишите уравнения реакций водного раствора гидросульфата натрия с магнием, гидрокарбонатом натрия.

с магнием

Гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) является кислой солью. В водном растворе он создает кислую среду, так как гидросульфат-ион ($HSO_4^-$) диссоциирует с образованием ионов водорода ($H^+$). Магний ($Mg$) — это металл, стоящий в ряду активности до водорода, поэтому он реагирует с кислой средой раствора, вытесняя водород. Продуктами реакции являются сульфат магния, сульфат натрия и газообразный водород.

Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Mg + 2NaHSO_4 \rightarrow MgSO_4 + Na_2SO_4 + H_2 \uparrow$

Ответ: $Mg + 2NaHSO_4 \rightarrow MgSO_4 + Na_2SO_4 + H_2 \uparrow$

с гидрокарбонатом натрия

Гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) в растворе проявляет кислотные свойства, а гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) — основные. Происходит реакция нейтрализации между кислотным гидросульфат-ионом ($HSO_4^-$) и основным гидрокарбонат-ионом ($HCO_3^-$). В результате образуется средняя соль (сульфат натрия) и слабая угольная кислота ($H_2CO_3$), которая тут же разлагается на воду ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$).

Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$NaHSO_4 + NaHCO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: $NaHSO_4 + NaHCO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

7.137. Что надо сделать, если на кожу попадёт концентрированная серная кислота?

Решение

При попадании концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) на кожу необходимо действовать быстро и в правильной последовательности, так как она вызывает тяжёлые химические ожоги. Опасность усугубляется тем, что при разбавлении кислоты водой выделяется большое количество тепла, что может привести к дополнительному термическому ожогу.

Алгоритм оказания первой помощи:

1. Удалить избыток кислоты механически. Немедленно и аккуратно промокнуть поражённый участок сухой чистой тканью, марлей или бумажным полотенцем. Цель этого шага — убрать основную массу концентрированной кислоты до контакта с водой. Категорически нельзя сразу лить воду на концентрированную кислоту на коже!
2. Промыть большим количеством воды. После механического удаления кислоты следует немедленно начать промывать обожжённое место под струёй холодной проточной воды. Промывание должно быть длительным, не менее 15–20 минут. Это позволит смыть остатки кислоты и охладить повреждённые ткани.
3. Нейтрализовать остатки кислоты. После тщательного промывания водой можно обработать кожу слабым щелочным раствором для нейтрализации возможных остатков кислоты. Для этого используют 2-3% раствор гидрокарбоната натрия (пищевой соды, $NaHCO_3$) или мыльный раствор. Можно приложить к поражённому месту смоченную в растворе салфетку.
4. Наложить стерильную повязку. На обработанный участок накладывается сухая асептическая (стерильная) повязка для защиты от загрязнения и инфекции. Не следует наносить на ожог мази, кремы или масла.
5. Обратиться за медицинской помощью. Химический ожог серной кислотой требует обязательного осмотра врачом. Необходимо как можно скорее доставить пострадавшего в медицинское учреждение или вызвать скорую помощь, даже если ожог кажется незначительным.

Ответ: При попадании концентрированной серной кислоты на кожу следует немедленно убрать её избыток сухой тканью, затем длительно (15-20 минут) промывать поражённое место большим количеством холодной проточной воды, после чего обработать слабым раствором соды или мыльной водой и наложить стерильную повязку. Обязательно и немедленно обратиться за медицинской помощью.

7.138. Запишите уравнения реакций концентрированной серной кислоты со следующими веществами: уголь, иодид фосфора(III), сульфид цинка, фторид кальция, нитрат натрия, сульфат бария.

уголь:
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем и при нагревании окисляет углерод до оксида углерода(IV). Сама кислота при этом восстанавливается преимущественно до оксида серы(IV).
$C_{(тв)} + 2H_2SO_4 {(конц.)} \xrightarrow{t} CO_2{\uparrow} + 2SO_2{\uparrow} + 2H_2O$
Ответ: $C + 2H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O$.

иодид фосфора(III):
В данной окислительно-восстановительной реакции концентрированная серная кислота окисляет оба элемента, находящихся в низших степенях окисления. Фосфор ($P^{+3}$) окисляется до фосфорной кислоты ($H_3PO_4$), а иодид-ион ($I^{-1}$) окисляется до свободного иода ($I_2$). Сера ($S^{+6}$) восстанавливается до оксида серы(IV) ($SO_2$).
$2PI_3 + 5H_2SO_4 {(конц.)} \rightarrow 2H_3PO_4 + 3I_2{\downarrow} + 5SO_2{\uparrow} + 2H_2O$
Ответ: $2PI_3 + 5H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_4 + 3I_2 + 5SO_2 + 2H_2O$.

сульфид цинка:
Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет сульфид-ион ($S^{-2}$) до оксида серы(IV) ($SO_2$). Сера из серной кислоты также восстанавливается до $SO_2$. Ион цинка ($Zn^{2+}$) образует соль - сульфат цинка ($ZnSO_4$).
$ZnS + 4H_2SO_4 {(конц.)} \xrightarrow{t} ZnSO_4 + 4SO_2{\uparrow} + 4H_2O$
Ответ: $ZnS + 4H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + 4SO_2 + 4H_2O$.

фторид кальция:
Данная реакция не является окислительно-восстановительной. Концентрированная серная кислота, как нелетучая кислота, вытесняет более летучую фтороводородную кислоту из её соли при нагревании. Образуется малорастворимый сульфат кальция.
$CaF_2{(тв)} + H_2SO_4 {(конц.)} \xrightarrow{t} CaSO_4{\downarrow} + 2HF{\uparrow}$
Ответ: $CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + 2HF$.

нитрат натрия:
Это реакция обмена, в которой нелетучая серная кислота вытесняет летучую азотную кислоту из её соли при нагревании. В зависимости от соотношения реагентов может образовываться средняя или кислая соль. Чаще всего при избытке кислоты образуется гидросульфат натрия.
$NaNO_3{(тв)} + H_2SO_4 {(конц.)} \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HNO_3{\uparrow}$
Ответ: $NaNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HNO_3$.

сульфат бария:
Сульфат бария ($BaSO_4$) является солью серной кислоты и отличается крайне низкой растворимостью в воде и кислотах, включая концентрированную серную кислоту. Поэтому химическая реакция не протекает.
Ответ: Реакция не идет.

7.139. При обезвоживании кристаллогидрата сульфита натрия его масса уменьшилась в два раза. Установите формулу кристаллогидрата.

Дано:

Отношение массы кристаллогидрата сульфита натрия к массе безводного сульфита натрия: $\frac{m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O)}{m(Na_2SO_3)} = 2$

Найти:

Формулу кристаллогидрата, то есть значение $n$ в формуле $Na_2SO_3 \cdot nH_2O$.

Решение:

Общая формула кристаллогидрата сульфита натрия – $Na_2SO_3 \cdot nH_2O$, где $n$ – число молекул кристаллизационной воды.

Процесс обезвоживания можно описать уравнением:

$Na_2SO_3 \cdot nH_2O \rightarrow Na_2SO_3 + nH_2O$

Масса кристаллогидрата $m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O)$ равна сумме масс безводной соли $m(Na_2SO_3)$ и массы воды $m(nH_2O)$.

По условию, масса кристаллогидрата уменьшилась в два раза. Это означает, что масса оставшейся безводной соли $m(Na_2SO_3)$ в два раза меньше исходной массы кристаллогидрата:

$m(Na_2SO_3) = \frac{1}{2} m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O)$

Масса испарившейся воды $m(nH_2O)$ равна разнице масс кристаллогидрата и безводной соли:

$m(nH_2O) = m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O) - m(Na_2SO_3) = m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O) - \frac{1}{2} m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O) = \frac{1}{2} m(Na_2SO_3 \cdot nH_2O)$

Из этого следует, что масса воды, содержавшейся в кристалле, равна массе безводной соли:

$m(nH_2O) = m(Na_2SO_3)$

Соотношение масс веществ в химическом соединении или реакции пропорционально соотношению их молярных масс, умноженных на стехиометрические коэффициенты. Из уравнения реакции видно, что 1 моль $Na_2SO_3$ соответствует $n$ молям $H_2O$.

Тогда можно записать:

$n \cdot M(H_2O) = M(Na_2SO_3)$

Рассчитаем молярные массы, используя относительные атомные массы из периодической таблицы: $Ar(Na) \approx 23$, $Ar(S) \approx 32$, $Ar(O) \approx 16$, $Ar(H) \approx 1$.

Молярная масса сульфита натрия $Na_2SO_3$:

$M(Na_2SO_3) = 2 \cdot Ar(Na) + Ar(S) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 23 + 32 + 3 \cdot 16 = 46 + 32 + 48 = 126$ г/моль.

Молярная масса воды $H_2O$:

$M(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ г/моль.

Подставим значения молярных масс в уравнение и найдем $n$:

$n \cdot 18 = 126$

$n = \frac{126}{18} = 7$

Следовательно, на одну формульную единицу сульфита натрия приходится 7 молекул воды.

Ответ: Формула кристаллогидрата – $Na_2SO_3 \cdot 7H_2O$.

7.140. Какие из перечисленных веществ можно окислить концентрированной серной кислотой? Сероводород, сернистый газ, сера, сульфид железа(II), соляная кислота, иодоводородная кислота. Запишите уравнения реакций.

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является сильным окислителем за счёт атома серы в высшей степени окисления +6. Она способна окислять вещества, в которых элементы находятся в низших или промежуточных степенях окисления. Рассмотрим каждое вещество из списка.

Сероводород

Сера в сероводороде ($H_2S$) имеет низшую степень окисления -2, поэтому он является сильным восстановителем и будет окисляться концентрированной серной кислотой. В зависимости от условий, сера может окисляться до $S^0$ или до $SO_2$. Серная кислота при этом, как правило, восстанавливается до $SO_2$.

Уравнение реакции окисления до свободной серы:

$H_2\stackrel{-2}{S} + H_2\stackrel{+6}{S}O_4(\text{конц.}) \rightarrow \stackrel{0}{S} \downarrow + \stackrel{+4}{S}O_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: сероводород можно окислить концентрированной серной кислотой. Уравнение реакции: $H_2S + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow S + SO_2 + 2H_2O$.

Сернистый газ

Сера в сернистом газе ($SO_2$) находится в промежуточной степени окисления +4. Хотя теоретически ее можно окислить до +6, окислителем в данном случае выступает сама серная кислота, где сера уже находится в степени окисления +6. Реакция окисления $S^{+4}$ с помощью $H_2S^{+6}O_4$ не протекает.

Ответ: сернистый газ нельзя окислить концентрированной серной кислотой.

Сера

Элементарная сера ($S$) имеет степень окисления 0. При нагревании она может быть окислена концентрированной серной кислотой, при этом сама кислота восстанавливается. Продуктом является диоксид серы ($SO_2$).

Уравнение реакции:

$\stackrel{0}{S} + 2H_2\stackrel{+6}{S}O_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} 3\stackrel{+4}{S}O_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: серу можно окислить концентрированной серной кислотой при нагревании. Уравнение реакции: $S + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} 3SO_2 + 2H_2O$.

Сульфид железа(II)

В сульфиде железа(II) ($FeS$) оба элемента находятся в степенях окисления, которые могут быть повышены: $Fe^{+2}$ и $S^{-2}$. Концентрированная серная кислота окисляет их до $Fe^{+3}$ и $S^{+4}$ соответственно, образуя сульфат железа(III) и диоксид серы.

Уравнение реакции:

$2\stackrel{+2}{Fe}\stackrel{-2}{S} + 10H_2\stackrel{+6}{S}O_4(\text{конц.}) \rightarrow \stackrel{+3}{Fe_2}(SO_4)_3 + 9\stackrel{+4}{S}O_2 \uparrow + 10H_2O$

Ответ: сульфид железа(II) можно окислить концентрированной серной кислотой. Уравнение реакции: $2FeS + 10H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 9SO_2 + 10H_2O$.

Соляная кислота

Хлор в соляной кислоте ($HCl$) имеет степень окисления -1. Однако хлорид-ион является относительно слабым восстановителем, и концентрированная серная кислота не обладает достаточной окислительной силой, чтобы окислить его до свободного хлора $Cl_2$. Окислительно-восстановительная реакция не протекает.

Ответ: соляную кислоту нельзя окислить концентрированной серной кислотой.

Иодоводородная кислота

Иод в иодоводородной кислоте ($HI$) имеет степень окисления -1. Иодид-ион является сильным восстановителем и легко окисляется концентрированной серной кислотой до свободного иода $I_2$. Из-за высокой восстановительной способности $HI$, серная кислота может восстанавливаться до разных продуктов ($SO_2$, $S$ или $H_2S$).

Пример реакции с восстановлением серы до сероводорода:

$8H\stackrel{-1}{I} + H_2\stackrel{+6}{S}O_4(\text{конц.}) \rightarrow 4\stackrel{0}{I_2} + H_2\stackrel{-2}{S} \uparrow + 4H_2O$

Ответ: иодоводородную кислоту можно окислить концентрированной серной кислотой. Уравнение реакции: $8HI + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow 4I_2 + H_2S + 4H_2O$.

7.141. Раствор серной кислоты с массовой долей 20%, массой 49 г разбавили водой до 100 мл. Определите молярность полученного раствора.

Дано:

Массовая доля $H_2SO_4$ в исходном растворе, $\omega_1(H_2SO_4) = 20\%$

Масса исходного раствора, $m_{р-ра\;1} = 49 \text{ г}$

Объем конечного раствора, $V_{р-ра\;2} = 100 \text{ мл}$

$m_{р-ра\;1} = 0.049 \text{ кг}$

$V_{р-ра\;2} = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ л}$

Найти:

Молярность полученного раствора $C_M(H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. Сначала определим массу чистой серной кислоты ($H_2SO_4$) в исходном растворе. Масса растворенного вещества равна произведению массы раствора на его массовую долю, выраженную в долях от единицы.

$\omega_1(H_2SO_4) = 20\% = 0.2$

$m(H_2SO_4) = m_{р-ра\;1} \cdot \omega_1(H_2SO_4) = 49 \text{ г} \cdot 0.2 = 9.8 \text{ г}$

2. Далее вычислим количество вещества (в молях) серной кислоты. Для этого нам понадобится молярная масса серной кислоты $M(H_2SO_4)$, которая рассчитывается на основе относительных атомных масс элементов.

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

Теперь найдем количество вещества $n(H_2SO_4)$:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{9.8 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0.1 \text{ моль}$

3. При разбавлении раствора водой количество растворенного вещества (в данном случае, серной кислоты) не изменяется, оно остается равным 0.1 моль. Изменяется только общий объем раствора. Молярность (или молярная концентрация $C_M$) – это отношение количества вещества к объему раствора, выраженному в литрах.

Объем конечного раствора $V_{р-ра\;2}$ по условию равен 100 мл. Переведем его в литры:

$V_{р-ра\;2} = 100 \text{ мл} = 0.1 \text{ л}$

Теперь можем рассчитать молярность полученного раствора:

$C_M = \frac{n(H_2SO_4)}{V_{р-ра\;2}} = \frac{0.1 \text{ моль}}{0.1 \text{ л}} = 1 \text{ моль/л}$

Ответ: молярность полученного раствора составляет 1 моль/л.