Страница 218 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.243. Фосфор массой 18,6 г сожгли в 67,2 л (н. у.) кислорода. Образовавшееся при этом вещество растворили в 100 г воды и полученный раствор прокипятили. Определите массовую долю кислоты в полученном растворе.

Дано:

$m(P) = 18,6 \text{ г}$

$V(O_2) = 67,2 \text{ л}$ (н. у.)

$m(H_2O) = 100 \text{ г}$

Найти:

$\omega(H_3PO_4) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции горения фосфора в кислороде. При этом образуется высший оксид фосфора — оксид фосфора(V):

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) исходных реагентов, чтобы определить, какое из них находится в недостатке.

Молярная масса фосфора $M(P) = 31 \text{ г/моль}$.

Количество вещества фосфора:

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{18,6 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

Количество вещества кислорода:

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{67,2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 3 \text{ моль}$

3. Определим лимитирующий реагент. Согласно уравнению реакции, на $4 \text{ моль}$ фосфора требуется $5 \text{ моль}$ кислорода. Рассчитаем, сколько моль кислорода необходимо для реакции с $0,6 \text{ моль}$ фосфора:

$n_{теор}(O_2) = \frac{5}{4} \cdot n(P) = \frac{5}{4} \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,75 \text{ моль}$

Так как в наличии имеется $3 \text{ моль}$ кислорода, что больше, чем требуется ($3 \text{ моль} > 0,75 \text{ моль}$), кислород находится в избытке. Расчеты будем проводить по недостатку, то есть по фосфору.

4. Рассчитаем количество вещества и массу образовавшегося оксида фосфора(V) ($P_2O_5$).

По уравнению реакции из $4 \text{ моль}$ P образуется $2 \text{ моль}$ $P_2O_5$, следовательно:

$n(P_2O_5) = \frac{1}{2} \cdot n(P) = \frac{1}{2} \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

Молярная масса оксида фосфора(V) $M(P_2O_5) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142 \text{ г/моль}$.

Масса оксида фосфора(V):

$m(P_2O_5) = n(P_2O_5) \cdot M(P_2O_5) = 0,3 \text{ моль} \cdot 142 \text{ г/моль} = 42,6 \text{ г}$

5. Оксид фосфора(V) растворили в воде и прокипятили. При взаимодействии с горячей водой (или при кипячении) $P_2O_5$ образует ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$):

$P_2O_5 + 3H_2O \xrightarrow{t} 2H_3PO_4$

6. Рассчитаем количество вещества и массу полученной ортофосфорной кислоты.

По уравнению реакции из $1 \text{ моль}$ $P_2O_5$ образуется $2 \text{ моль}$ $H_3PO_4$:

$n(H_3PO_4) = 2 \cdot n(P_2O_5) = 2 \cdot 0,3 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль}$

Молярная масса ортофосфорной кислоты $M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$.

Масса ортофосфорной кислоты:

$m(H_3PO_4) = n(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0,6 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 58,8 \text{ г}$

7. Рассчитаем массу конечного раствора. Она складывается из массы растворенного оксида фосфора(V) и массы воды.

$m_{раствора} = m(P_2O_5) + m(H_2O) = 42,6 \text{ г} + 100 \text{ г} = 142,6 \text{ г}$

8. Найдем массовую долю ($\omega$) кислоты в полученном растворе.

$\omega(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{m_{раствора}} = \frac{58,8 \text{ г}}{142,6 \text{ г}} \approx 0,4123$

Выразим массовую долю в процентах:

$\omega(H_3PO_4) = 0,4123 \cdot 100\% = 41,23\%$

Ответ: массовая доля кислоты в полученном растворе составляет 41,23%.

7.244. Фосфор массой 9,3 г прореагировал при нагревании с избытком хлора. Полученный хлорид растворили в 700 г 20%-го раствора гидроксида калия. Определите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

$m(P) = 9.3 \text{ г}$

$m(\text{р-ра } KOH) = 700 \text{ г}$

$w(KOH) = 20\% = 0.20$

Найти:

$w(\text{веществ в конечном растворе}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции горения фосфора в избытке хлора. В этих условиях образуется пентахлорид фосфора ($PCl_5$):

$2P + 5Cl_2 \xrightarrow{t} 2PCl_5$

2. Найдем количество вещества фосфора, вступившего в реакцию. Молярная масса фосфора $M(P) = 31 \text{ г/моль}$.

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{9.3 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0.3 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества образовавшегося пентахлорида фосфора. Cоотношение количеств веществ $n(P) : n(PCl_5) = 2 : 2 = 1 : 1$.

$n(PCl_5) = n(P) = 0.3 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу полученного $PCl_5$. Молярная масса $M(PCl_5) = 31 + 5 \cdot 35.5 = 208.5 \text{ г/моль}$.

$m(PCl_5) = n(PCl_5) \cdot M(PCl_5) = 0.3 \text{ моль} \cdot 208.5 \text{ г/моль} = 62.55 \text{ г}$

5. Пентахлорид фосфора растворили в растворе гидроксида калия. При этом происходит реакция полного гидролиза $PCl_5$ с последующей нейтрализацией образовавшихся кислот ($H_3PO_4$ и $HCl$) щелочью. Суммарное уравнение реакции:

$PCl_5 + 8KOH \rightarrow K_3PO_4 + 5KCl + 4H_2O$

6. Рассчитаем массу и количество вещества гидроксида калия в исходном растворе. Молярная масса $M(KOH) = 39 + 16 + 1 = 56 \text{ г/моль}$.

$m(KOH) = m(\text{р-ра } KOH) \cdot w(KOH) = 700 \text{ г} \cdot 0.20 = 140 \text{ г}$

$n(KOH) = \frac{m(KOH)}{M(KOH)} = \frac{140 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 2.5 \text{ моль}$

7. Определим, какое из реагентов находится в избытке. По уравнению реакции, на 1 моль $PCl_5$ требуется 8 моль $KOH$. Рассчитаем необходимое количество $KOH$ для реакции с 0.3 моль $PCl_5$:

$n_{необх}(KOH) = 8 \cdot n(PCl_5) = 8 \cdot 0.3 = 2.4 \text{ моль}$

Поскольку в наличии имеется 2.5 моль $KOH$, что больше необходимого количества (2.4 моль), гидроксид калия находится в избытке, а $PCl_5$ прореагирует полностью. Дальнейшие расчеты ведем по недостатку, то есть по $PCl_5$.

8. Рассчитаем массу избыточного $KOH$, который останется в растворе:

$n_{изб}(KOH) = n_{исх}(KOH) - n_{прореаг}(KOH) = 2.5 \text{ моль} - 2.4 \text{ моль} = 0.1 \text{ моль}$

$m_{изб}(KOH) = n_{изб}(KOH) \cdot M(KOH) = 0.1 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = 5.6 \text{ г}$

9. Рассчитаем массы продуктов реакции — фосфата калия ($K_3PO_4$) и хлорида калия ($KCl$).

Из уравнения реакции $n(K_3PO_4) = n(PCl_5) = 0.3 \text{ моль}$. Молярная масса $M(K_3PO_4) = 3 \cdot 39 + 31 + 4 \cdot 16 = 212 \text{ г/моль}$.

$m(K_3PO_4) = n(K_3PO_4) \cdot M(K_3PO_4) = 0.3 \text{ моль} \cdot 212 \text{ г/моль} = 63.6 \text{ г}$

Из уравнения реакции $n(KCl) = 5 \cdot n(PCl_5) = 5 \cdot 0.3 = 1.5 \text{ моль}$. Молярная масса $M(KCl) = 39 + 35.5 = 74.5 \text{ г/моль}$.

$m(KCl) = n(KCl) \cdot M(KCl) = 1.5 \text{ моль} \cdot 74.5 \text{ г/моль} = 111.75 \text{ г}$

10. Рассчитаем массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходного раствора $KOH$ и добавленного $PCl_5$:

$m_{конечн. р-ра} = m(\text{р-ра } KOH) + m(PCl_5) = 700 \text{ г} + 62.55 \text{ г} = 762.55 \text{ г}$

11. Определим массовые доли веществ в полученном растворе. В растворе содержатся продукты реакции ($K_3PO_4$, $KCl$) и избыток реагента ($KOH$).

$w(K_3PO_4) = \frac{m(K_3PO_4)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{63.6 \text{ г}}{762.55 \text{ г}} \approx 0.0834 \text{ или } 8.34\%$

$w(KCl) = \frac{m(KCl)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{111.75 \text{ г}}{762.55 \text{ г}} \approx 0.1465 \text{ или } 14.65\%$

$w(KOH) = \frac{m_{изб}(KOH)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{5.6 \text{ г}}{762.55 \text{ г}} \approx 0.0073 \text{ или } 0.73\%$

Ответ: Массовые доли веществ в полученном растворе: $w(K_3PO_4) \approx 8.34\%$; $w(KCl) \approx 14.65\%$; $w(KOH) \approx 0.73\%$.

7.245. Смешали равные массы 10%-х растворов ортофосфата и дигидроортофосфата натрия. Определите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

$ω(Na_3PO_4) = 10\%$
$ω(NaH_2PO_4) = 10\%$
$m_{р-ра}(Na_3PO_4) = m_{р-ра}(NaH_2PO_4)$

Найти:

$ω_{конечн}(веществ) - ?$

Решение:

При смешивании растворов ортофосфата натрия ($Na_3PO_4$) и дигидроортофосфата натрия ($NaH_2PO_4$) происходит химическая реакция нейтрализации с образованием гидроортофосфата натрия ($Na_2HPO_4$):

$Na_3PO_4 + NaH_2PO_4 \rightarrow 2Na_2HPO_4$

Для удобства расчетов предположим, что масса каждого из исходных растворов равна 100 г. Тогда масса растворенных веществ составит:

$m(Na_3PO_4) = m_{р-ра}(Na_3PO_4) \cdot ω(Na_3PO_4) = 100 \text{ г} \cdot 0.1 = 10 \text{ г}$

$m(NaH_2PO_4) = m_{р-ра}(NaH_2PO_4) \cdot ω(NaH_2PO_4) = 100 \text{ г} \cdot 0.1 = 10 \text{ г}$

Рассчитаем молярные массы и количества веществ реагентов:

$M(Na_3PO_4) = 3 \cdot 22.99 + 30.97 + 4 \cdot 16.00 = 163.94 \text{ г/моль}$

$M(NaH_2PO_4) = 22.99 + 2 \cdot 1.01 + 30.97 + 4 \cdot 16.00 = 119.98 \text{ г/моль}$

Определим количество вещества (моль) каждого реагента:

$n(Na_3PO_4) = \frac{m(Na_3PO_4)}{M(Na_3PO_4)} = \frac{10 \text{ г}}{163.94 \text{ г/моль}} \approx 0.0610 \text{ моль}$

$n(NaH_2PO_4) = \frac{m(NaH_2PO_4)}{M(NaH_2PO_4)} = \frac{10 \text{ г}}{119.98 \text{ г/моль}} \approx 0.0833 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, вещества реагируют в мольном соотношении 1:1. Так как $n(Na_3PO_4) < n(NaH_2PO_4)$, ортофосфат натрия является лимитирующим реагентом и прореагирует полностью. Расчеты будем вести по нему.

В реакцию вступает 0.0610 моль $Na_3PO_4$ и 0.0610 моль $NaH_2PO_4$.

Найдем количество и массу дигидроортофосфата натрия, оставшегося в избытке:

$n_{ост}(NaH_2PO_4) = n_{исх}(NaH_2PO_4) - n_{реаг}(NaH_2PO_4) = 0.0833 - 0.0610 = 0.0223 \text{ моль}$

$m_{ост}(NaH_2PO_4) = n_{ост}(NaH_2PO_4) \cdot M(NaH_2PO_4) = 0.0223 \text{ моль} \cdot 119.98 \text{ г/моль} \approx 2.68 \text{ г}$

Найдем количество и массу продукта реакции — гидроортофосфата натрия ($Na_2HPO_4$):

$M(Na_2HPO_4) = 2 \cdot 22.99 + 1.01 + 30.97 + 4 \cdot 16.00 = 141.96 \text{ г/моль}$

По уравнению реакции, из 1 моль $Na_3PO_4$ образуется 2 моль $Na_2HPO_4$, следовательно:

$n(Na_2HPO_4) = 2 \cdot n_{реаг}(Na_3PO_4) = 2 \cdot 0.0610 \text{ моль} = 0.1220 \text{ моль}$

$m(Na_2HPO_4) = n(Na_2HPO_4) \cdot M(Na_2HPO_4) = 0.1220 \text{ моль} \cdot 141.96 \text{ г/моль} \approx 17.32 \text{ г}$

Общая масса конечного раствора равна сумме масс исходных растворов:

$m_{конечн.р-ра} = m_{р-ра}(Na_3PO_4) + m_{р-ра}(NaH_2PO_4) = 100 \text{ г} + 100 \text{ г} = 200 \text{ г}$

Масса воды в конечном растворе не изменяется и равна:

$m(H_2O) = (100 \text{ г} - 10 \text{ г}) + (100 \text{ г} - 10 \text{ г}) = 180 \text{ г}$

Теперь определим массовые доли всех веществ в полученном растворе:

$ω(Na_2HPO_4) = \frac{m(Na_2HPO_4)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{17.32 \text{ г}}{200 \text{ г}} = 0.0866$ или $8.66\%$

$ω(NaH_2PO_4) = \frac{m_{ост}(NaH_2PO_4)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{2.68 \text{ г}}{200 \text{ г}} = 0.0134$ или $1.34\%$

$ω(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{m_{конечн.р-ра}} = \frac{180 \text{ г}}{200 \text{ г}} = 0.9$ или $90\%$

Ответ: Массовые доли веществ в полученном растворе составляют: гидроортофосфат натрия ($Na_2HPO_4$) — 8.66%; дигидроортофосфат натрия ($NaH_2PO_4$) — 1.34%; вода ($H_2O$) — 90%.

7.246. В 100 г 8,48%-го раствора ортофосфата калия растворили 14,2 г фосфорного ангидрида. Найдите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

Масса раствора ортофосфата калия ($K_3PO_4$) = 100 г
Массовая доля $K_3PO_4$ = 8,48%
Масса фосфорного ангидрида ($P_2O_5$) = 14,2 г

Перевод данных в систему СИ:
Масса раствора $K_3PO_4$ = 0,1 кг
Масса $P_2O_5$ = 0,0142 кг

Найти:

Массовые доли веществ ($ω$) в полученном растворе.

Решение:

1. Определим массы ортофосфата калия и воды в исходном растворе.

Масса ортофосфата калия $K_3PO_4$:

$m(K_3PO_4) = m_{раствора} \cdot ω(K_3PO_4) = 100 \text{ г} \cdot 0,0848 = 8,48 \text{ г}$

Масса воды $H_2O$:

$m(H_2O) = m_{раствора} - m(K_3PO_4) = 100 \text{ г} - 8,48 \text{ г} = 91,52 \text{ г}$

2. При растворении фосфорный ангидрид ($P_2O_5$) реагирует с водой с образованием ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$).

Уравнение реакции 1:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

3. Рассчитаем молярные массы и количества веществ.

$M(K_3PO_4) = 3 \cdot 39,1 + 31 + 4 \cdot 16 = 212,3 \text{ г/моль}$

$M(P_2O_5) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142 \text{ г/моль}$

$M(H_2O) = 18 \text{ г/моль}$

Для дальнейших расчетов будем использовать округленные до целых атомные массы, как это принято в школьном курсе, если не указано иное. $M(K_3PO_4) \approx 212 \text{ г/моль}$.

Количество вещества $K_3PO_4$ в исходном растворе:

$n(K_3PO_4) = \frac{m(K_3PO_4)}{M(K_3PO_4)} = \frac{8,48 \text{ г}}{212 \text{ г/моль}} = 0,04 \text{ моль}$

Количество вещества добавленного $P_2O_5$:

$n(P_2O_5) = \frac{m(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{14,2 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

Количество вещества воды в исходном растворе:

$n(H_2O)_{исх.} = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{91,52 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} \approx 5,084 \text{ моль}$

4. Проведем расчеты по уравнению реакции 1. На 0,1 моль $P_2O_5$ потребуется $3 \cdot 0,1 = 0,3 \text{ моль}$ воды. Так как воды в растворе значительно больше, она в избытке, и весь $P_2O_5$ прореагирует.

Количество вещества образовавшейся ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$:

$n(H_3PO_4)_{обр.} = 2 \cdot n(P_2O_5) = 2 \cdot 0,1 = 0,2 \text{ моль}$

5. Образовавшаяся кислота ($H_3PO_4$) реагирует с ортофосфатом калия ($K_3PO_4$).

Соотношение реагентов: $n(H_3PO_4) : n(K_3PO_4) = 0,2 : 0,04 = 5 : 1$.

Поскольку соотношение кислоты к соли ($5:1$) больше, чем $2:1$, вся средняя соль $K_3PO_4$ превратится в наиболее кислую соль — дигидрофосфат калия $KH_2PO_4$, и в растворе останется избыток кислоты.

Уравнение реакции 2:

$K_3PO_4 + 2H_3PO_4 \rightarrow 3KH_2PO_4$

6. Проведем расчеты по уравнению реакции 2. $K_3PO_4$ находится в недостатке, расчет ведем по нему.

Количество $H_3PO_4$, вступившего в реакцию:

$n(H_3PO_4)_{реаг.} = 2 \cdot n(K_3PO_4) = 2 \cdot 0,04 = 0,08 \text{ моль}$

Количество $H_3PO_4$, оставшегося в растворе:

$n(H_3PO_4)_{ост.} = n(H_3PO_4)_{обр.} - n(H_3PO_4)_{реаг.} = 0,2 - 0,08 = 0,12 \text{ моль}$

Количество образовавшегося дигидрофосфата калия $KH_2PO_4$:

$n(KH_2PO_4) = 3 \cdot n(K_3PO_4) = 3 \cdot 0,04 = 0,12 \text{ моль}$

7. Рассчитаем массу конечного раствора и массы веществ в нем.

Масса конечного раствора равна сумме масс исходного раствора и добавленного $P_2O_5$:

$m_{кон.р-ра} = 100 \text{ г} + 14,2 \text{ г} = 114,2 \text{ г}$

В конечном растворе содержатся: дигидрофосфат калия $KH_2PO_4$ и избыток ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$. Найдем их массы:

$M(KH_2PO_4) = 39 + 2 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 136 \text{ г/моль}$

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

$m(KH_2PO_4) = n(KH_2PO_4) \cdot M(KH_2PO_4) = 0,12 \text{ моль} \cdot 136 \text{ г/моль} = 16,32 \text{ г}$

$m(H_3PO_4)_{ост.} = n(H_3PO_4)_{ост.} \cdot M(H_3PO_4) = 0,12 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 11,76 \text{ г}$

8. Рассчитаем массовые доли веществ в конечном растворе.

Массовая доля дигидрофосфата калия ($KH_2PO_4$)

$ω(KH_2PO_4) = \frac{m(KH_2PO_4)}{m_{кон.р-ра}} \cdot 100\% = \frac{16,32 \text{ г}}{114,2 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 14,29\%$

Массовая доля ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$)

$ω(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)_{ост.}}{m_{кон.р-ра}} \cdot 100\% = \frac{11,76 \text{ г}}{114,2 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 10,30\%$

Ответ: В полученном растворе массовая доля дигидрофосфата калия $KH_2PO_4$ составляет 14,29%; массовая доля ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$ составляет 10,30%.

7.247. В 250 мл воды внесли 13,8 г натрия, а затем к полученному раствору после окончания реакции добавили 50 г 59%-й ортофосфорной кислоты. Определите массовые доли веществ в растворе.

Дано:

Объем воды $V(\text{H}_2\text{O}) = 250$ мл

Масса натрия $m(\text{Na}) = 13,8$ г

Масса раствора ортофосфорной кислоты $m_{\text{р-ра}}(\text{H}_3\text{PO}_4) = 50$ г

Массовая доля ортофосфорной кислоты $\omega(\text{H}_3\text{PO}_4) = 59\%$

Примем плотность воды $\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1$ г/мл. Тогда масса воды $m(\text{H}_2\text{O}) = 250$ г.

Найти:

Массовые доли веществ в конечном растворе $\omega(\text{веществ})$.

Решение:

1. Первым этапом является реакция металлического натрия с водой. Запишем уравнение реакции и проведем расчеты.

$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \uparrow$

Найдем количество вещества (моли) реагентов, используя их молярные массы.

Молярная масса натрия $M(\text{Na}) = 23$ г/моль.

Количество вещества натрия: $n(\text{Na}) = \frac{m(\text{Na})}{M(\text{Na})} = \frac{13,8 \text{ г}}{23 \text{ г/моль}} = 0,6$ моль.

Молярная масса воды $M(\text{H}_2\text{O}) = 18$ г/моль.

Количество вещества воды: $n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{250 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} \approx 13,89$ моль.

Согласно уравнению реакции, натрий и вода реагируют в мольном соотношении 1:1. Так как $n(\text{Na}) < n(\text{H}_2\text{O})$, натрий является лимитирующим реагентом и прореагирует полностью, а вода находится в избытке.

Найдем количество вещества и массу продуктов реакции.

Количество вещества образовавшегося гидроксида натрия равно количеству вещества натрия: $n(\text{NaOH}) = n(\text{Na}) = 0,6$ моль.

Молярная масса гидроксида натрия $M(\text{NaOH}) = 23 + 16 + 1 = 40$ г/моль.

Масса гидроксида натрия: $m(\text{NaOH}) = n(\text{NaOH}) \times M(\text{NaOH}) = 0,6 \text{ моль} \times 40 \text{ г/моль} = 24$ г.

Количество вещества выделившегося водорода: $n(\text{H}_2) = \frac{1}{2} n(\text{Na}) = \frac{1}{2} \times 0,6 \text{ моль} = 0,3$ моль.

Молярная масса водорода $M(\text{H}_2) = 2$ г/моль.

Масса водорода: $m(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \times M(\text{H}_2) = 0,3 \text{ моль} \times 2 \text{ г/моль} = 0,6$ г.

Масса полученного раствора гидроксида натрия ($m_{\text{раствора 1}}$) будет равна сумме масс исходных веществ (воды и натрия) за вычетом массы улетучившегося водорода.

$m_{\text{раствора 1}} = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{Na}) - m(\text{H}_2) = 250 \text{ г} + 13,8 \text{ г} - 0,6 \text{ г} = 263,2$ г.

2. Вторым этапом является реакция полученного раствора NaOH с раствором ортофосфорной кислоты H₃PO₄. Рассчитаем количество вещества кислоты.

Масса чистой ортофосфорной кислоты: $m(\text{H}_3\text{PO}_4) = m_{\text{р-ра}}(\text{H}_3\text{PO}_4) \times \omega(\text{H}_3\text{PO}_4) = 50 \text{ г} \times 0,59 = 29,5$ г.

Молярная масса ортофосфорной кислоты $M(\text{H}_3\text{PO}_4) = 3 \times 1 + 31 + 4 \times 16 = 98$ г/моль.

Количество вещества кислоты: $n(\text{H}_3\text{PO}_4) = \frac{m(\text{H}_3\text{PO}_4)}{M(\text{H}_3\text{PO}_4)} = \frac{29,5 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} \approx 0,301$ моль.

3. Определим продукты реакции между гидроксидом натрия и ортофосфорной кислотой. Для этого найдем соотношение количеств веществ щелочи и кислоты.

Соотношение: $\frac{n(\text{NaOH})}{n(\text{H}_3\text{PO}_4)} = \frac{0,6 \text{ моль}}{0,301 \text{ моль}} \approx 1,993$.

Так как соотношение $1 < 1,993 < 2$, в результате реакции нейтрализации образуется смесь двух кислых солей: дигидрофосфата натрия ($\text{NaH}_2\text{PO}_4$) и гидрофосфата натрия ($\text{Na}_2\text{HPO}_4$).

Реакции, которые протекают:

$\text{NaOH} + \text{H}_3\text{PO}_4 \rightarrow \text{NaH}_2\text{PO}_4 + \text{H}_2\text{O}$

$2\text{NaOH} + \text{H}_3\text{PO}_4 \rightarrow \text{Na}_2\text{HPO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$

Пусть образовалось $x$ моль $\text{NaH}_2\text{PO}_4$ и $y$ моль $\text{Na}_2\text{HPO}_4$. Составим систему уравнений на основе баланса атомов натрия и фосфора:

Баланс по Na: $x + 2y = n(\text{NaOH}) = 0,6$ моль

Баланс по P: $x + y = n(\text{H}_3\text{PO}_4) = 0,301$ моль

Вычтем второе уравнение из первого:

$(x + 2y) - (x + y) = 0,6 - 0,301 \Rightarrow y = 0,299$ моль ($n(\text{Na}_2\text{HPO}_4)$)

Подставим значение $y$ во второе уравнение, чтобы найти $x$:

$x + 0,299 = 0,301 \Rightarrow x = 0,002$ моль ($n(\text{NaH}_2\text{PO}_4)$)

4. Рассчитаем массы образовавшихся солей.

Молярная масса гидрофосфата натрия $M(\text{Na}_2\text{HPO}_4) = 2 \times 23 + 1 + 31 + 4 \times 16 = 142$ г/моль.

Масса гидрофосфата натрия: $m(\text{Na}_2\text{HPO}_4) = 0,299 \text{ моль} \times 142 \text{ г/моль} \approx 42,46$ г.

Молярная масса дигидрофосфата натрия $M(\text{NaH}_2\text{PO}_4) = 23 + 2 \times 1 + 31 + 4 \times 16 = 120$ г/моль.

Масса дигидрофосфата натрия: $m(\text{NaH}_2\text{PO}_4) = 0,002 \text{ моль} \times 120 \text{ г/моль} = 0,24$ г.

5. Рассчитаем массу конечного раствора и массовые доли веществ в нем.

Масса конечного раствора равна сумме масс раствора гидроксида натрия и раствора ортофосфорной кислоты (газы в этой реакции не выделяются).

$m_{\text{конечного раствора}} = m_{\text{раствора 1}} + m_{\text{р-ра}}(\text{H}_3\text{PO}_4) = 263,2 \text{ г} + 50 \text{ г} = 313,2$ г.

Массовая доля гидрофосфата натрия:

$\omega(\text{Na}_2\text{HPO}_4) = \frac{m(\text{Na}_2\text{HPO}_4)}{m_{\text{конечного раствора}}} \times 100\% = \frac{42,46 \text{ г}}{313,2 \text{ г}} \times 100\% \approx 13,56\%$

Массовая доля дигидрофосфата натрия:

$\omega(\text{NaH}_2\text{PO}_4) = \frac{m(\text{NaH}_2\text{PO}_4)}{m_{\text{конечного раствора}}} \times 100\% = \frac{0,24 \text{ г}}{313,2 \text{ г}} \times 100\% \approx 0,08\%$

Массовая доля воды в конечном растворе является оставшейся частью:

$\omega(\text{H}_2\text{O}) = 100\% - \omega(\text{Na}_2\text{HPO}_4) - \omega(\text{NaH}_2\text{PO}_4) = 100\% - 13,56\% - 0,08\% = 86,36\%$

Ответ: Массовые доли веществ в конечном растворе: $\omega(\text{Na}_2\text{HPO}_4) \approx 13,56\%$, $\omega(\text{NaH}_2\text{PO}_4) \approx 0,08\%$, $\omega(\text{H}_2\text{O}) \approx 86,36\%$.

7.248. Фосфор массой 3,1 г сожгли в избытке кислорода. Образовавшееся при этом вещество растворили в воде и полученный раствор прокипятили. К полученному раствору добавили избыток 0,1%-го раствора гидроксида кальция. Определите массу образовавшегося гидроксиапатита.

Дано:

$m(P) = 3,1$ г
$\omega(Ca(OH)₂) = 0,1\%$
Раствор $Ca(OH)₂$ взят в избытке.

Найти:

$m(Ca₅(PO₄)₃(OH))$ - ?

Решение:

Процесс состоит из нескольких последовательных химических реакций:

1. Сжигание фосфора в избытке кислорода с образованием оксида фосфора(V):

$4P + 5O₂ \rightarrow 2P₂O₅$

2. Растворение оксида фосфора(V) в воде и последующее кипячение раствора приводит к полному превращению в ортофосфорную кислоту:

$P₂O₅ + 3H₂O \xrightarrow{t°} 2H₃PO₄$

3. Реакция ортофосфорной кислоты с избытком гидроксида кальция с образованием осадка гидроксиапатита:

$3H₃PO₄ + 5Ca(OH)₂ \rightarrow Ca₅(PO₄)₃(OH) \downarrow + 9H₂O$

Начнем расчеты с определения количества вещества (моль) фосфора, вступившего в реакцию. Молярная масса фосфора $M(P)$ составляет примерно 31 г/моль.

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{3,1 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,1$ моль.

Из уравнений (1) и (2) можно вывести общее стехиометрическое соотношение между исходным фосфором и конечной ортофосфорной кислотой. Из уравнения (1) $4$ моль $P$ дают $2$ моль $P₂O₅$. Из уравнения (2) $1$ моль $P₂O₅$ дает $2$ моль $H₃PO₄$. Таким образом, из $4$ моль $P$ образуется $2$ моль $P₂O₅$, из которых, в свою очередь, образуется $4$ моль $H₃PO₄$. Соотношение $n(P) : n(H₃PO₄) = 4 : 4 = 1 : 1$.

Следовательно, количество вещества образовавшейся ортофосфорной кислоты равно количеству вещества фосфора:

$n(H₃PO₄) = n(P) = 0,1$ моль.

Поскольку раствор гидроксида кальция был добавлен в избытке, ортофосфорная кислота является лимитирующим реагентом в последней реакции. Расчет массы гидроксиапатита ведем по количеству $H₃PO₄$.

Согласно уравнению (3), из 3 моль $H₃PO₄$ образуется 1 моль $Ca₅(PO₄)₃(OH)$. Найдем количество вещества гидроксиапатита:

$n(Ca₅(PO₄)₃(OH)) = \frac{1}{3} n(H₃PO₄) = \frac{1}{3} \times 0,1 \text{ моль} = \frac{0,1}{3}$ моль.

Для нахождения массы гидроксиапатита рассчитаем его молярную массу. Используем округленные атомные массы: $Ar(Ca)=40$, $Ar(P)=31$, $Ar(O)=16$, $Ar(H)=1$.

$M(Ca₅(PO₄)₃(OH)) = 5 \cdot Ar(Ca) + 3 \cdot Ar(P) + (3 \cdot 4 + 1) \cdot Ar(O) + 1 \cdot Ar(H)$

$M(Ca₅(PO₄)₃(OH)) = 5 \cdot 40 + 3 \cdot 31 + 13 \cdot 16 + 1 = 200 + 93 + 208 + 1 = 502$ г/моль.

Теперь вычислим массу образовавшегося гидроксиапатита:

$m(Ca₅(PO₄)₃(OH)) = n(Ca₅(PO₄)₃(OH)) \cdot M(Ca₅(PO₄)₃(OH)) = \frac{0,1}{3} \text{ моль} \cdot 502 \text{ г/моль} \approx 16,733$ г.

С учетом точности исходных данных (2 значащие цифры), округлим результат до трех значащих цифр.

Ответ: масса образовавшегося гидроксиапатита составляет 16,7 г.

7.249. Серый порошок, полученный спеканием кальция с фосфором в электропечи, внесли в соляную кислоту. Выделившийся газ пропустили через концентрированную азотную кислоту. В образовавшийся бесцветный раствор внесли карбонат натрия до прекращения выделения газа, а затем нитрат кальция. Запишите уравнения всех упомянутых реакций.

Решение

В задаче описана последовательность химических превращений. Запишем уравнения для каждой стадии.

1. Спекание кальция с фосфором.

При нагревании в электропечи кальций, активный металл, реагирует с фосфором с образованием фосфида кальция. Это серый порошок.

$3Ca + 2P \xrightarrow{t^\circ} Ca_3P_2$

2. Реакция фосфида кальция с соляной кислотой.

Фосфид кальция, как и фосфиды других активных металлов, легко гидролизуется водой и кислотами с выделением фосфина ($PH_3$). При реакции с соляной кислотой образуется также хлорид кальция.

$Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow$

3. Окисление фосфина концентрированной азотной кислотой.

Выделившийся газ фосфин ($PH_3$) является сильным восстановителем. Его пропускают через концентрированную азотную кислоту, которая является сильным окислителем. Происходит окислительно-восстановительная реакция, в результате которой фосфор окисляется до высшей степени окисления +5 (образуя ортофосфорную кислоту), а азот восстанавливается из +5 до +4 (образуя диоксид азота).

$PH_3 + 8HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow H_3PO_4 + 8NO_2\uparrow + 4H_2O$

4. Нейтрализация кислот карбонатом натрия.

В получившийся бесцветный раствор, содержащий ортофосфорную кислоту, добавляют карбонат натрия. Как правило, для полного окисления исходного вещества окислитель (в данном случае $HNO_3$) берут в избытке. Поэтому в растворе присутствуют две кислоты: $H_3PO_4$ и избыточная $HNO_3$. Обе кислоты реагируют с карбонатом натрия с выделением углекислого газа до полной нейтрализации. Образуются соответствующие средние соли.

Реакция с ортофосфорной кислотой:

$2H_3PO_4 + 3Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O + 3CO_2\uparrow$

Реакция с избытком азотной кислоты:

$2HNO_3 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaNO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

5. Реакция с нитратом кальция.

После нейтрализации раствор содержит фосфат натрия ($Na_3PO_4$) и нитрат натрия ($NaNO_3$). При добавлении нитрата кальция ($Ca(NO_3)_2$) ионы кальция $Ca^{2+}$ реагируют с фосфат-ионами $PO_4^{3-}$ с образованием нерастворимого в воде осадка фосфата кальция.

$2Na_3PO_4 + 3Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 6NaNO_3$

Ответ:

$3Ca + 2P \xrightarrow{t^\circ} Ca_3P_2$

$Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow$

$PH_3 + 8HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow H_3PO_4 + 8NO_2\uparrow + 4H_2O$

$2H_3PO_4 + 3Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O + 3CO_2\uparrow$

$2HNO_3 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaNO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

$2Na_3PO_4 + 3Ca(NO_3)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 6NaNO_3$

7.250. Красный фосфор массой 6,2 г полностью прореагировал с хлором. В образовавшейся смеси на 2 атома фосфора приходится 7 атомов хлора. Какой объём хлора (н. у.) вступил в реакцию?

Дано:

$m(P) = 6,2 \text{ г}$

Соотношение атомов в продуктах: $N(P) : N(Cl) = 2 : 7$

Найти:

$V(Cl_2)$ (н. у.) — ?

Решение:

При взаимодействии фосфора с хлором могут образовываться два продукта: хлорид фосфора(III) ($PCl_3$) и хлорид фосфора(V) ($PCl_5$).

Уравнения возможных реакций:

$2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$

$2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$

Поскольку в условии говорится об образовании смеси с определенным соотношением атомов, это означает, что в результате реакции образовалась смесь этих двух хлоридов.

1. Найдем количество вещества (моль) фосфора, вступившего в реакцию. Молярная масса фосфора $M(P) \approx 31$ г/моль.

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{6,2 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Так как весь фосфор прореагировал, общее количество вещества атомов фосфора в продуктах реакции также равно 0,2 моль.

2. Используя заданное соотношение атомов в продуктах, найдем общее количество вещества атомов хлора. Соотношение количеств веществ атомов равно их عددی соотношению:

$\frac{n_{атомов}(P)}{n_{атомов}(Cl)} = \frac{2}{7}$

Отсюда выразим количество вещества атомов хлора:

$n_{атомов}(Cl) = \frac{7 \times n_{атомов}(P)}{2} = \frac{7 \times 0,2 \text{ моль}}{2} = 0,7 \text{ моль}$

3. Хлор вступает в реакцию в виде двухатомных молекул $Cl_2$. Найдем количество вещества молекулярного хлора, которое вступило в реакцию:

$n(Cl_2) = \frac{n_{атомов}(Cl)}{2} = \frac{0,7 \text{ моль}}{2} = 0,35 \text{ моль}$

4. Найдем объем хлора, вступившего в реакцию, при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22,4$ л/моль.

$V(Cl_2) = n(Cl_2) \times V_m = 0,35 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 7,84 \text{ л}$

Ответ: 7,84 л.

7.251. Оксид фосфора(V) массой 28,4 г растворили в 200 мл воды. Найдите массовую долю ортофосфорной кислоты в растворе.

Дано:

$m(P_2O_5) = 28.4$ г
$V(H_2O) = 200$ мл

Так как плотность воды $\rho(H_2O)$ приблизительно равна 1 г/мл, массу воды можно считать равной ее объему в граммах:
$m(H_2O) = V(H_2O) \cdot \rho(H_2O) = 200 \text{ мл} \cdot 1 \text{ г/мл} = 200$ г.

Найти:

$\omega(H_3PO_4)$ — массовую долю ортофосфорной кислоты в растворе.

Решение:

1. Составим уравнение реакции взаимодействия оксида фосфора(V) с водой. В результате реакции образуется ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$):
$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

2. Рассчитаем молярные массы реагента ($P_2O_5$) и продукта ($H_3PO_4$), используя значения относительных атомных масс из периодической таблицы: $Ar(P) \approx 31$, $Ar(O) \approx 16$, $Ar(H) \approx 1$.
$M(P_2O_5) = 2 \cdot Ar(P) + 5 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142$ г/моль.
$M(H_3PO_4) = 3 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(P) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98$ г/моль.

3. Вычислим количество вещества (число молей) оксида фосфора(V), содержащегося в 28,4 г:
$n(P_2O_5) = \frac{m(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{28.4 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0.2$ моль.

4. По уравнению реакции определим количество вещества ортофосфорной кислоты, которое образуется из 0,2 моль оксида фосфора(V). Согласно стехиометрическим коэффициентам, из 1 моль $P_2O_5$ образуется 2 моль $H_3PO_4$.
$\frac{n(P_2O_5)}{1} = \frac{n(H_3PO_4)}{2}$
$n(H_3PO_4) = 2 \cdot n(P_2O_5) = 2 \cdot 0.2 \text{ моль} = 0.4$ моль.

5. Рассчитаем массу образовавшейся ортофосфорной кислоты ($m_{вещества}$):
$m(H_3PO_4) = n(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0.4 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 39.2$ г.

6. Найдем массу конечного раствора. Согласно закону сохранения массы, масса раствора равна сумме масс исходных компонентов, вступивших в реакцию:
$m_{раствора} = m(P_2O_5) + m(H_2O) = 28.4 \text{ г} + 200 \text{ г} = 228.4$ г.

7. Теперь можем рассчитать массовую долю ($\omega$) ортофосфорной кислоты в полученном растворе по формуле:
$\omega(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{m_{раствора}} \cdot 100\%$
$\omega(H_3PO_4) = \frac{39.2 \text{ г}}{228.4 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 17.16\%$

Округлим результат до десятых долей процента.

Ответ: массовая доля ортофосфорной кислоты в растворе составляет 17,2%.

7.252. В 200 г 20%-й ортофосфорной кислоты растворили 7,1 г оксида фосфора(V). Найдите массовую долю ортофосфорной кислоты в растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(H_3PO_4)_{\text{исх}} = 200 \text{ г}$

$w(H_3PO_4)_{\text{исх}} = 20\% = 0.2$

$m(P_2O_5) = 7.1 \text{ г}$

Найти:

$w(H_3PO_4)_{\text{кон}} - ?$

Решение:

1. Определим массу ортофосфорной кислоты и воды в исходном 20%-ом растворе.

Масса ортофосфорной кислоты в исходном растворе:

$m(H_3PO_4)_{\text{исх}} = m_{р-ра}(H_3PO_4)_{\text{исх}} \times w(H_3PO_4)_{\text{исх}} = 200 \text{ г} \times 0.2 = 40 \text{ г}$

Масса воды в исходном растворе:

$m(H_2O) = m_{р-ра}(H_3PO_4)_{\text{исх}} - m(H_3PO_4)_{\text{исх}} = 200 \text{ г} - 40 \text{ г} = 160 \text{ г}$

2. Оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) является кислотным оксидом и при растворении в воде образует ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$). Запишем уравнение реакции:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

3. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции, для проведения стехиометрических расчетов.

$M(P_2O_5) = 2 \times Ar(P) + 5 \times Ar(O) = 2 \times 31 + 5 \times 16 = 142 \text{ г/моль}$

$M(H_3PO_4) = 3 \times Ar(H) + Ar(P) + 4 \times Ar(O) = 3 \times 1 + 31 + 4 \times 16 = 98 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (в молях) добавленного оксида фосфора(V).

$n(P_2O_5) = \frac{m(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{7.1 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0.05 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции найдем, какое количество вещества ортофосфорной кислоты образовалось.

Соотношение $n(P_2O_5) : n(H_3PO_4)$ равно $1:2$. Следовательно:

$n(H_3PO_4)_{\text{обр}} = 2 \times n(P_2O_5) = 2 \times 0.05 \text{ моль} = 0.1 \text{ моль}$

6. Рассчитаем массу ортофосфорной кислоты, образовавшуюся в результате реакции.

$m(H_3PO_4)_{\text{обр}} = n(H_3PO_4)_{\text{обр}} \times M(H_3PO_4) = 0.1 \text{ моль} \times 98 \text{ г/моль} = 9.8 \text{ г}$

7. Теперь найдем общую массу ортофосфорной кислоты в конечном растворе и общую массу самого конечного раствора.

Общая масса кислоты складывается из массы кислоты в исходном растворе и массы кислоты, образовавшейся в реакции:

$m(H_3PO_4)_{\text{кон}} = m(H_3PO_4)_{\text{исх}} + m(H_3PO_4)_{\text{обр}} = 40 \text{ г} + 9.8 \text{ г} = 49.8 \text{ г}$

Масса конечного раствора равна сумме масс исходного раствора и добавленного оксида фосфора(V):

$m_{р-ра \text{ кон}} = m_{р-ра \text{ исх}} + m(P_2O_5) = 200 \text{ г} + 7.1 \text{ г} = 207.1 \text{ г}$

8. Наконец, рассчитаем массовую долю ортофосфорной кислоты в конечном растворе.

$w(H_3PO_4)_{\text{кон}} = \frac{m(H_3PO_4)_{\text{кон}}}{m_{р-ра \text{ кон}}} \times 100\%$

$w(H_3PO_4)_{\text{кон}} = \frac{49.8 \text{ г}}{207.1 \text{ г}} \times 100\% \approx 24.05\%$

Ответ: массовая доля ортофосфорной кислоты в растворе составляет $24.05\%$.

7.253. Что такое суперфосфат? Почему его нельзя смешивать с известью? Запишите уравнение реакции.

Что такое суперфосфат?

Суперфосфат — это одно из самых распространенных фосфорных минеральных удобрений. Основным действующим веществом суперфосфата является дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2$, который хорошо растворим в воде и поэтому легко усваивается корневой системой растений.

Существует две основные разновидности этого удобрения:

• Простой суперфосфат — это смесь дигидрофосфата кальция $Ca(H_2PO_4)_2$ и балластного вещества, в основном сульфата кальция $CaSO_4$ (гипса). Его получают при обработке природных фосфатов (фосфоритов или апатитов) серной кислотой.
• Двойной суперфосфат — это более концентрированное удобрение, которое практически полностью состоит из дигидрофосфата кальция $Ca(H_2PO_4)_2$. Его получают при обработке фосфатного сырья фосфорной кислотой, что позволяет избежать образования гипса в качестве побочного продукта.

Ответ: Суперфосфат — это фосфорное удобрение, действующим веществом которого является водорастворимый дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2$, обеспечивающий питание растений фосфором.

Почему его нельзя смешивать с известью?

Известь (в частности, гашеная известь — гидроксид кальция $Ca(OH)_2$) обладает щелочными свойствами. Суперфосфат, содержащий кислую соль дигидрофосфат кальция, при смешивании с известью вступает в реакцию нейтрализации. В результате этой реакции водорастворимый и доступный для растений дигидрофосфат кальция превращается в нерастворимые или труднорастворимые в воде соединения — гидрофосфат кальция ($CaHPO_4$) и/или фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$).

Этот процесс, известный как «ретроградация фосфора», приводит к тому, что фосфор переходит в форму, которую растения не могут усвоить из почвенного раствора. Таким образом, удобрение теряет свою эффективность. По этой причине известкование кислых почв и внесение суперфосфата необходимо проводить в разное время, с интервалом в несколько недель.

Ответ: Суперфосфат нельзя смешивать с известью, так как при их взаимодействии водорастворимая форма фосфора переходит в нерастворимые соединения, которые не усваиваются растениями, что приводит к потере ценности удобрения.

Запишите уравнение реакции.

Химическая реакция, происходящая при смешивании суперфосфата (действующее вещество $Ca(H_2PO_4)_2$) с известью (гидроксид кальция $Ca(OH)_2$), приводит к образованию труднорастворимого гидрофосфата кальция:

$Ca(H_2PO_4)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaHPO_4\downarrow + 2H_2O$

В данной реакции водорастворимый дигидрофосфат кальция (монокальцийфосфат) превращается в труднорастворимый гидрофосфат кальция (дикальцийфосфат), который выпадает в осадок. При избытке извести реакция может идти дальше с образованием полностью нерастворимого фосфата кальция ($Ca_3(PO_4)_2$).

Ответ: Уравнение реакции суперфосфата с известью: $Ca(H_2PO_4)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaHPO_4\downarrow + 2H_2O$.

7.254. Газ, полученный нагреванием 26,4 г сульфата аммония с избытком гидроксида натрия, поглотили 100 г 39,2%-й ортофосфорной кислоты. Найдите массовую долю соли в конечном растворе.

Дано:

$m((NH_4)_2SO_4) = 26,4 \text{ г}$

$m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) = 100 \text{ г}$

$\omega(H_3PO_4) = 39,2\% = 0,392$

Найти:

$\omega(\text{соли}) - ?$

Решение:

1. Сначала запишем уравнение реакции получения газа (аммиака) при нагревании сульфата аммония с избытком гидроксида натрия:

$(NH_4)_2SO_4 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2NH_3 \uparrow + 2H_2O$

2. Рассчитаем количество вещества сульфата аммония, вступившего в реакцию. Это позволит нам найти количество вещества и массу выделившегося аммиака.

Молярная масса сульфата аммония $M((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot (14 + 1 \cdot 4) + 32 + 4 \cdot 16 = 132 \text{ г/моль}$.

Количество вещества сульфата аммония:

$n((NH_4)_2SO_4) = \frac{m((NH_4)_2SO_4)}{M((NH_4)_2SO_4)} = \frac{26,4 \text{ г}}{132 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, из 1 моль $(NH_4)_2SO_4$ образуется 2 моль $NH_3$. Следовательно, количество вещества аммиака:

$n(NH_3) = 2 \cdot n((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,4 \text{ моль}$

3. Найдем массу полученного аммиака. Эта масса прибавится к массе раствора кислоты при поглощении.

Молярная масса аммиака $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$.

$m(NH_3) = n(NH_3) \cdot M(NH_3) = 0,4 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} = 6,8 \text{ г}$

4. Теперь определим количество вещества ортофосфорной кислоты, содержащейся в 100 г 39,2%-го раствора.

Масса чистой ортофосфорной кислоты:

$m(H_3PO_4) = m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) \cdot \omega(H_3PO_4) = 100 \text{ г} \cdot 0,392 = 39,2 \text{ г}$

Молярная масса ортофосфорной кислоты $M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$.

Количество вещества ортофосфорной кислоты:

$n(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{M(H_3PO_4)} = \frac{39,2 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0,4 \text{ моль}$

5. Сравним мольные количества аммиака и ортофосфорной кислоты, чтобы определить продукт реакции.

Соотношение $n(NH_3) : n(H_3PO_4) = 0,4 \text{ моль} : 0,4 \text{ моль} = 1:1$.

Такое мольное соотношение приводит к образованию кислой соли — дигидрофосфата аммония, так как на одну молекулу трехосновной кислоты приходится одна молекула основания (аммиака). Уравнение реакции:

$NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow NH_4H_2PO_4$

Поскольку реагенты взяты в эквимолярных количествах, они прореагируют полностью, и в растворе будет находиться только одна соль.

6. Рассчитаем массу образовавшейся соли (дигидрофосфата аммония) и массу конечного раствора.

Из уравнения реакции следует, что $n(NH_4H_2PO_4) = n(NH_3) = n(H_3PO_4) = 0,4 \text{ моль}$.

Молярная масса дигидрофосфата аммония $M(NH_4H_2PO_4) = 14 + 1 \cdot 4 + 1 \cdot 2 + 31 + 4 \cdot 16 = 115 \text{ г/моль}$.

Масса соли:

$m(NH_4H_2PO_4) = n(NH_4H_2PO_4) \cdot M(NH_4H_2PO_4) = 0,4 \text{ моль} \cdot 115 \text{ г/моль} = 46 \text{ г}$

Масса конечного раствора равна сумме масс исходного раствора кислоты и поглощенного газа аммиака:

$m_{\text{кон.р-ра}} = m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) + m(NH_3) = 100 \text{ г} + 6,8 \text{ г} = 106,8 \text{ г}$

7. Наконец, рассчитаем массовую долю соли в конечном растворе.

$\omega(NH_4H_2PO_4) = \frac{m(NH_4H_2PO_4)}{m_{\text{кон.р-ра}}} \cdot 100\% = \frac{46 \text{ г}}{106,8 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 43,071\%$

Округлим результат до десятых.

$\omega(NH_4H_2PO_4) \approx 43,1\%$

Ответ: массовая доля соли (дигидрофосфата аммония) в конечном растворе составляет 43,1%.