Страница 231 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.28. На нейтрализацию 0,214 г смеси, состоящей из карбонатов кальция и бария, израсходовали 15,00 мл 0,2 М раствора одноосновной кислоты. Вычислите процентное содержание ${\mathrm{СаСО}}_3$ и ${\mathrm{ВаСО}}_3$ в смеси.

Дано:
Масса смеси ($m_{смеси}$) = 0,214 г
Состав смеси: $CaCO_3$ и $BaCO_3$
Объем раствора кислоты ($V_{к-ты}$) = 15,00 мл
Молярная концентрация кислоты ($C_{к-ты}$) = 0,2 М (моль/л)
Кислота одноосновная (HA)

Перевод в систему СИ:
$V_{к-ты} = 15,00 \text{ мл} = 15,00 \cdot 10^{-3} \text{ л} = 0,015 \text{ л}$

Найти:
Процентное содержание $CaCO_3$ ($w(CaCO_3)$) - ?
Процентное содержание $BaCO_3$ ($w(BaCO_3)$) - ?

Решение:

1. Запишем уравнения реакций нейтрализации карбонатов кальция и бария одноосновной кислотой (обозначим ее как HA):
$CaCO_3 + 2HA \rightarrow CaA_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
$BaCO_3 + 2HA \rightarrow BaA_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

2. Рассчитаем общее количество вещества (моль) кислоты, израсходованной на нейтрализацию смеси карбонатов:
$n_{к-ты} = C_{к-ты} \cdot V_{к-ты} = 0,2 \text{ моль/л} \cdot 0,015 \text{ л} = 0,003 \text{ моль}$

3. Составим систему уравнений. Пусть $x$ - количество вещества $CaCO_3$ в смеси, а $y$ - количество вещества $BaCO_3$ в смеси.
Молярные массы веществ:
$M(CaCO_3) = 40,08 + 12,01 + 3 \cdot 16,00 = 100,09 \text{ г/моль}$
$M(BaCO_3) = 137,33 + 12,01 + 3 \cdot 16,00 = 197,34 \text{ г/моль}$

Первое уравнение составим на основе общей массы смеси:
$m(CaCO_3) + m(BaCO_3) = m_{смеси}$
$x \cdot M(CaCO_3) + y \cdot M(BaCO_3) = 0,214$
$100,09x + 197,34y = 0,214$

Второе уравнение составим на основе стехиометрии реакций. Из уравнений реакций видно, что на 1 моль каждого карбоната расходуется 2 моль кислоты.
$n_{к-ты} = 2 \cdot n(CaCO_3) + 2 \cdot n(BaCO_3) = 2x + 2y$
$2x + 2y = 0,003$
Разделим обе части на 2:
$x + y = 0,0015$

4. Решим полученную систему уравнений:
$\begin{cases} 100,09x + 197,34y = 0,214 \\ x + y = 0,0015 \end{cases}$

Из второго уравнения выразим $x$:
$x = 0,0015 - y$

Подставим выражение для $x$ в первое уравнение:
$100,09(0,0015 - y) + 197,34y = 0,214$
$0,150135 - 100,09y + 197,34y = 0,214$
$97,25y = 0,214 - 0,150135$
$97,25y = 0,063865$
$y = \frac{0,063865}{97,25} \approx 0,000657 \text{ моль}$ (это $n(BaCO_3)$)

Теперь найдем $x$:
$x = 0,0015 - 0,000657 = 0,000843 \text{ моль}$ (это $n(CaCO_3)$)

5. Рассчитаем массы карбонатов в смеси:
$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3) = 0,000843 \text{ моль} \cdot 100,09 \text{ г/моль} \approx 0,08438 \text{ г}$
$m(BaCO_3) = n(BaCO_3) \cdot M(BaCO_3) = 0,000657 \text{ моль} \cdot 197,34 \text{ г/моль} \approx 0,12962 \text{ г}$
Проверка: $0,08438 + 0,12962 = 0,214 \text{ г}$, что соответствует массе смеси.

6. Вычислим процентное содержание (массовые доли) компонентов в смеси:
$w(CaCO_3) = \frac{m(CaCO_3)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{0,08438 \text{ г}}{0,214 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 39,43\%$
$w(BaCO_3) = \frac{m(BaCO_3)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{0,12962 \text{ г}}{0,214 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 60,57\%$

Ответ: Процентное содержание карбоната кальция ($CaCO_3$) в смеси составляет 39,43%, а карбоната бария ($BaCO_3$) - 60,57%.

8.29. Сколько граммов NaCl содержится в 250 мл раствора, если на титрование 25,00 мл его израсходовано 26,45 мл 0,05 М ${\mathrm{AgNO}}_3?$

Дано:

$V_{общ}(NaCl) = 250$ мл
$V_{аликвота}(NaCl) = 25,00$ мл
$V(AgNO_3) = 26,45$ мл
$C(AgNO_3) = 0,05$ моль/л

Найти:

$m(NaCl)$

Решение:

1. Составим уравнение химической реакции, происходящей при титровании. Хлорид натрия ($NaCl$) реагирует с нитратом серебра ($AgNO_3$), образуя нерастворимый осадок хлорида серебра ($AgCl$):

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

Из уравнения видно, что стехиометрическое соотношение реагентов 1:1. Это значит, что количество вещества $NaCl$ в пробе равно количеству вещества $AgNO_3$, пошедшему на титрование.

$n(NaCl) = n(AgNO_3)$

2. Рассчитаем количество вещества (число молей) нитрата серебра, израсходованного на титрование 25,00 мл раствора $NaCl$. Количество вещества ($n$) вычисляется по формуле:

$n = C \times V$

где $C$ — молярная концентрация, $V$ — объем раствора.

$n(AgNO_3) = 0,05 \text{ моль/л} \times 0,02645 \text{ л} = 0,0013225 \text{ моль}$

3. Поскольку соотношение реагентов 1:1, количество вещества $NaCl$ в аликвоте (25,00 мл) равно количеству вещества $AgNO_3$:

$n_{аликвота}(NaCl) = 0,0013225 \text{ моль}$

4. Определим общее количество вещества $NaCl$ в исходном растворе объемом 250 мл. Для этого умножим количество вещества в аликвоте на коэффициент, равный отношению общего объема к объему аликвоты:

$n_{общ}(NaCl) = n_{аликвота}(NaCl) \times \frac{V_{общ}}{V_{аликвота}} = 0,0013225 \text{ моль} \times \frac{250 \text{ мл}}{25,00 \text{ мл}} = 0,0013225 \text{ моль} \times 10 = 0,013225 \text{ моль}$

5. Вычислим массу хлорида натрия в 250 мл раствора по формуле $m = n \times M$, где $M$ — молярная масса.

Молярная масса $NaCl$:

$M(NaCl) = M(Na) + M(Cl) = 22,99 \text{ г/моль} + 35,45 \text{ г/моль} = 58,44 \text{ г/моль}$

Масса $NaCl$ в общем объеме раствора:

$m(NaCl) = n_{общ}(NaCl) \times M(NaCl) = 0,013225 \text{ моль} \times 58,44 \text{ г/моль} \approx 0,7729 \text{ г}$

С учётом точности исходных данных, результат следует округлить. Примем, что точность всех данных сопоставима, и округлим ответ до трёх значащих цифр.

Ответ: в 250 мл раствора содержится 0,773 г NaCl.

8.30. Неизвестная соль растворима в воде, окрашивает пламя в фиолетовый цвет, даёт жёлтый осадок с нитратом серебра, окрашивает метилоранж в жёлтый цвет, не реагирует с углекислым газом. Запишите её формулу.

Дано:

Неизвестная соль обладает следующими свойствами:
1. Растворима в воде.
2. Окрашивает пламя в фиолетовый цвет.
3. Даёт жёлтый осадок с нитратом серебра ($AgNO_3$).
4. Окрашивает метилоранж в жёлтый цвет.
5. Не реагирует с углекислым газом ($CO_2$).

Найти:

Формулу неизвестной соли.

Решение:

Для определения формулы соли необходимо последовательно установить её катион и анион, используя данные из условия задачи.

1. Определение катиона.
Условие, что соль окрашивает пламя в фиолетовый цвет, является качественной реакцией на ионы калия ($K^+$). Следовательно, катионом в составе соли является калий.

2. Определение аниона.
a) Взаимодействие с нитратом серебра. Соль даёт жёлтый осадок с $AgNO_3$. Жёлтый осадок с ионами серебра ($Ag^+$) могут образовывать иодид-ионы ($I^-$), давая иодид серебра $AgI$, и фосфат-ионы ($PO_4^{3-}$), давая фосфат серебра $Ag_3PO_4$.
$K^+ + I^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgI\downarrow \text{(жёлтый)} + KNO_3$
$3K^+ + PO_4^{3-} + 3Ag^+ + 3NO_3^- \rightarrow Ag_3PO_4\downarrow \text{(жёлтый)} + 3KNO_3$
Таким образом, возможные соли — иодид калия ($KI$) или фосфат калия ($K_3PO_4$).

b) Среда раствора. Водный раствор соли окрашивает метилоранж в жёлтый цвет. Это означает, что среда раствора является нейтральной или щелочной (pH > 4.4).

• Иодид калия ($KI$) — соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($HI$). Раствор этой соли нейтрален ($pH \approx 7$), что соответствует жёлтой окраске метилоранжа.
• Фосфат калия ($K_3PO_4$) — соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой кислотой ($H_3PO_4$). В растворе она гидролизуется по аниону ($PO_4^{3-} + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + OH^-$), создавая щелочную среду ($pH > 7$), что также соответствует жёлтой окраске метилоранжа.

c) Взаимодействие с углекислым газом. Соль не реагирует с углекислым газом ($CO_2$). Углекислый газ, растворяясь в воде, образует слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$).

• Раствор иодида калия ($KI$) нейтрален и не будет вступать в реакцию с угольной кислотой. Это соответствует условию задачи.
• Раствор фосфата калия ($K_3PO_4$) имеет сильнощелочную среду. Угольная кислота, будучи более сильной, чем фосфорная кислота по третьей ступени, будет реагировать с фосфатом калия:
  $2K_3PO_4 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2K_2HPO_4 + K_2CO_3$
  Это противоречит условию, что реакция не идёт.

Таким образом, на основании совокупности всех признаков можно сделать однозначный вывод, что неизвестная соль — это иодид калия.

Ответ: $KI$.

8.31. Неизвестная соль растворима в воде, окрашивает пламя в жёлтый цвет, даёт жёлтый осадок с нитратом серебра, окрашивает лакмус в красный цвет. Запишите её формулу.

Решение

Для определения формулы неизвестной соли необходимо проанализировать каждый из признаков, указанных в условии задачи.

1. «окрашивает пламя в жёлтый цвет». Это качественная реакция на катионы натрия ($Na^+$). Таким образом, неизвестная соль является солью натрия.

2. «даёт жёлтый осадок с нитратом серебра ($AgNO_3$)». Реакция с нитратом серебра используется для обнаружения некоторых анионов. Жёлтый осадок образуется при взаимодействии ионов серебра ($Ag^+$) с иодид-ионами ($I^-$) или фосфат-ионами ($PO_4^{3-}$).
$Ag^+ + I^- \rightarrow AgI\downarrow$ (иодид серебра, жёлтый осадок)
$3Ag^+ + PO_4^{3-} \rightarrow Ag_3PO_4\downarrow$ (фосфат серебра, жёлтый осадок)
Следовательно, анионом в соли может быть иодид или фосфат (а также его кислые формы: гидрофосфат или дигидрофосфат).

3. «окрашивает лакмус в красный цвет». Лакмус приобретает красный цвет в кислой среде ($pH < 7$). Это означает, что водный раствор данной соли является кислым. Кислая среда в растворе соли, образованной катионом сильного основания ($Na^+$ от $NaOH$), может быть создана только в том случае, если анион является кислотным остатком слабой многоосновной кислоты, и соль является кислой.

Проанализируем возможные варианты соли:

- Иодид натрия ($NaI$). Эта соль образована сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($HI$). Растворы таких солей нейтральны ($pH \approx 7$), так как гидролиз не происходит. Этот вариант не подходит.

- Соли фосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Фосфорная кислота является слабой трёхосновной кислотой и может образовывать три ряда солей: фосфаты (например, $Na_3PO_4$), гидрофосфаты (например, $Na_2HPO_4$) и дигидрофосфаты (например, $NaH_2PO_4$). Все они дадут жёлтый осадок $Ag_3PO_4$ с нитратом серебра. Определим среду их растворов:
- Раствор фосфата натрия ($Na_3PO_4$) имеет сильнощелочную среду из-за гидролиза фосфат-иона: $PO_4^{3-} + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + OH^-$. Этот вариант не подходит.
- Раствор гидрофосфата натрия ($Na_2HPO_4$) имеет слабощелочную среду. Для гидрофосфат-иона ($HPO_4^{2-}$) процесс гидролиза ($HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons H_2PO_4^- + OH^-$) преобладает над процессом диссоциации ($HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}$). Этот вариант не подходит.
- Раствор дигидрофосфата натрия ($NaH_2PO_4$) имеет слабокислую среду. Для дигидрофосфат-иона ($H_2PO_4^-$) процесс диссоциации ($H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}$) преобладает над процессом гидролиза ($H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons H_3PO_4 + OH^-$). Образующиеся в результате диссоциации ионы водорода ($H^+$) создают кислую среду. Этот вариант полностью соответствует всем условиям задачи.

Таким образом, неизвестная соль — это дигидрофосфат натрия.

Ответ: $NaH_2PO_4$.

8.32. Бинарное соединение щелочного металла растворяется в воде, образуя раствор, окрашивающий фенолфталеин в малиновый цвет. Известно, что массовая доля щелочного металла в бинарном соединении равняется 58,97%. Определите бинарное соединение и щелочной металл. Напишите уравнение реакции бинарного соединения с водой.

Дано:

Бинарное соединение щелочного металла: $Me_aX_b$

Массовая доля щелочного металла: $w(Me) = 58,97\% = 0,5897$

При растворении в воде образуется щелочная среда (фенолфталеин становится малиновым).

Найти:

1. Щелочной металл (Me).

2. Формулу бинарного соединения.

3. Уравнение реакции соединения с водой.

Решение:

1. Обозначим щелочной металл как $Me$, а второй элемент как $X$. Общая формула бинарного соединения — $Me_aX_b$. Массовая доля щелочного металла в соединении вычисляется по формуле:

$w(Me) = \frac{a \cdot A_r(Me)}{a \cdot A_r(Me) + b \cdot A_r(X)}$

где $A_r(Me)$ и $A_r(X)$ — относительные атомные массы элементов.

Подставим известное значение массовой доли:

$0,5897 = \frac{a \cdot A_r(Me)}{a \cdot A_r(Me) + b \cdot A_r(X)}$

Преобразуем уравнение, чтобы выразить $A_r(Me)$:

$0,5897 \cdot (a \cdot A_r(Me) + b \cdot A_r(X)) = a \cdot A_r(Me)$

$0,5897 \cdot a \cdot A_r(Me) + 0,5897 \cdot b \cdot A_r(X) = a \cdot A_r(Me)$

$0,5897 \cdot b \cdot A_r(X) = a \cdot A_r(Me) \cdot (1 - 0,5897)$

$0,5897 \cdot b \cdot A_r(X) = 0,4103 \cdot a \cdot A_r(Me)$

$A_r(Me) = \frac{0,5897 \cdot b}{0,4103 \cdot a} \cdot A_r(X) \approx 1,437 \cdot \frac{b}{a} \cdot A_r(X)$

2. Условие, что раствор соединения в воде окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет, указывает на образование щелочи ($MeOH$). Это характерно для реакции с водой оксидов, пероксидов, надпероксидов, гидридов и некоторых других соединений щелочных металлов. Наиболее распространенными бинарными соединениями с неметаллами являются соединения с кислородом.

Рассмотрим возможные типы оксидов щелочных металлов:

• Оксид ($Me_2O$): стехиометрические коэффициенты $a=2, b=1$. Элемент X — кислород ($A_r(O) \approx 16$).

  $A_r(Me) \approx 1,437 \cdot \frac{1}{2} \cdot 16 = 11,5$ г/моль. Такого щелочного металла нет.

• Пероксид ($Me_2O_2$): простейшая формула $MeO$, стехиометрические коэффициенты $a=1, b=1$. Элемент X — кислород ($A_r(O) \approx 16$).

  $A_r(Me) \approx 1,437 \cdot \frac{1}{1} \cdot 16 = 22,99$ г/моль. Эта величина практически совпадает с относительной атомной массой натрия ($A_r(Na) \approx 23$).

• Надпероксид ($MeO_2$): стехиометрические коэффициенты $a=1, b=2$. Элемент X — кислород ($A_r(O) \approx 16$).

  $A_r(Me) \approx 1,437 \cdot \frac{2}{1} \cdot 16 = 46,0$ г/моль. Такого щелочного металла нет.

3. Таким образом, наиболее вероятный кандидат — пероксид натрия ($Na_2O_2$). Проверим расчет для него:

Относительная молекулярная масса $M_r(Na_2O_2) = 2 \cdot A_r(Na) + 2 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 23 + 2 \cdot 16 = 78$.

Массовая доля натрия: $w(Na) = \frac{2 \cdot A_r(Na)}{M_r(Na_2O_2)} = \frac{2 \cdot 23}{78} = \frac{46}{78} \approx 0,58974$.

Полученное значение $58,974\%$ совпадает с данными в условии задачи.

4. Запишем уравнение реакции пероксида натрия с водой. В результате реакции образуется гидроксид натрия (щелочь) и пероксид водорода:

$Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2$

Образовавшийся гидроксид натрия $NaOH$ является сильной щелочью и обуславливает малиновую окраску фенолфталеина.

Ответ: Щелочной металл – натрий (Na), бинарное соединение – пероксид натрия ($Na_2O_2$). Уравнение реакции: $Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2O_2$.

8.33. Можно ли использовать металлы, реагирующие с водой при комнатной температуре, для вытеснения менее активных металлов из растворов их солей? Почему?

Нет, использовать металлы, которые реагируют с водой при комнатной температуре, для вытеснения менее активных металлов из растворов их солей нецелесообразно и практически невозможно для получения чистого металла.

Причина заключается в том, что такие металлы (например, щелочные металлы, такие как натрий $Na$ или калий $K$, и щелочноземельные, такие как кальций $Ca$) обладают очень высокой химической активностью. Находясь в электрохимическом ряду активности металлов значительно левее водорода, они вступают в реакцию с водой, которая является растворителем в растворе соли. Эта реакция происходит в первую очередь и, как правило, очень бурно.

Вместо ожидаемой реакции вытеснения одного металла другим, будут протекать два последовательных процесса:

1. Активный металл реагирует с водой, образуя гидроксид (щелочь) и выделяя водород. Например, при добавлении натрия в раствор:
$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$

2. Образовавшийся гидроксид активного металла вступает в реакцию ионного обмена с солью менее активного металла, в результате чего выпадает осадок гидроксида этого менее активного металла. Например, если в растворе был сульфат меди(II) ($CuSO_4$):
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Таким образом, вместо того чтобы вытеснить менее активный металл (медь) в чистом виде, мы получим его нерастворимый гидроксид ($Cu(OH)_2$). Следовательно, цель — получение менее активного металла — не будет достигнута.

Ответ: Нельзя, потому что активные металлы, реагирующие с водой при комнатной температуре, будут вступать в реакцию в первую очередь с водой (растворителем), а не с солью. В результате будет образовываться не чистый менее активный металл, а его гидроксид в виде осадка.

8.34. При растворении 9,4 г оксида калия в воде получили раствор с массовой долей вещества 20%. К этому раствору добавили 98 г 20%-го раствора серной кислоты. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

Дано:

$m(K_2O) = 9.4$ г
$\omega_1(\text{вещества в растворе}) = 20\% = 0.2$
$m(\text{р-ра } H_2SO_4) = 98$ г
$\omega(H_2SO_4) = 20\% = 0.2$

Найти:

$\omega(\text{соли в конечном растворе}) - ?$

Решение:

1. При растворении оксида калия в воде происходит химическая реакция с образованием гидроксида калия. Таким образом, растворенным веществом в первом растворе является гидроксид калия ($KOH$).

Уравнение реакции:

$K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

2. Рассчитаем количество вещества оксида калия ($K_2O$).

Молярная масса оксида калия: $M(K_2O) = 2 \cdot 39.1 + 16 = 94.2$ г/моль. В школьных задачах часто используют округленные значения: $M(K) \approx 39$ г/моль. Тогда $M(K_2O) = 2 \cdot 39 + 16 = 94$ г/моль. Использование этого значения приводит к более "красивому" ответу, будем использовать его.

Количество вещества $K_2O$:

$n(K_2O) = \frac{m(K_2O)}{M(K_2O)} = \frac{9.4 \text{ г}}{94 \text{ г/моль}} = 0.1$ моль.

3. По уравнению реакции, из 1 моль $K_2O$ образуется 2 моль $KOH$. Найдем количество вещества и массу образовавшегося гидроксида калия.

$n(KOH) = 2 \cdot n(K_2O) = 2 \cdot 0.1 \text{ моль} = 0.2$ моль.

Молярная масса $KOH$: $M(KOH) = 39 + 16 + 1 = 56$ г/моль.

Масса $KOH$ в растворе:

$m(KOH) = n(KOH) \cdot M(KOH) = 0.2 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = 11.2$ г.

4. Зная массу гидроксида калия и его массовую долю, найдем массу первого раствора.

$m_1(\text{раствора}) = \frac{m(KOH)}{\omega_1(\text{вещества в растворе})} = \frac{11.2 \text{ г}}{0.2} = 56$ г.

5. К полученному раствору гидроксида калия добавляют раствор серной кислоты. Происходит реакция нейтрализации с образованием соли (сульфата калия $K_2SO_4$) и воды.

Уравнение реакции:

$2KOH + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2H_2O$

6. Рассчитаем массу и количество вещества серной кислоты в добавленном растворе.

Масса $H_2SO_4$:

$m(H_2SO_4) = m(\text{р-ра } H_2SO_4) \cdot \omega(H_2SO_4) = 98 \text{ г} \cdot 0.2 = 19.6$ г.

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

Количество вещества $H_2SO_4$:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{19.6 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0.2$ моль.

7. Определим, какое из веществ находится в недостатке. По уравнению реакции, вещества реагируют в мольном соотношении $n(KOH) : n(H_2SO_4) = 2 : 1$.

У нас в наличии $n(KOH) = 0.2$ моль и $n(H_2SO_4) = 0.2$ моль.

Для полной реакции с 0.2 моль $KOH$ потребуется $n(H_2SO_4) = \frac{1}{2} n(KOH) = \frac{1}{2} \cdot 0.2 \text{ моль} = 0.1$ моль.

Поскольку в наличии имеется 0.2 моль серной кислоты, что больше, чем 0.1 моль, $H_2SO_4$ находится в избытке. Расчет продукта реакции (соли) будем вести по веществу в недостатке — $KOH$.

8. Рассчитаем количество вещества и массу образовавшейся соли — сульфата калия ($K_2SO_4$).

Из уравнения реакции следует, что $n(K_2SO_4) = \frac{1}{2} n(KOH)$.

$n(K_2SO_4) = \frac{1}{2} \cdot 0.2 \text{ моль} = 0.1$ моль.

Молярная масса $K_2SO_4$: $M(K_2SO_4) = 2 \cdot 39 + 32 + 4 \cdot 16 = 174$ г/моль.

Масса образовавшейся соли:

$m(K_2SO_4) = n(K_2SO_4) \cdot M(K_2SO_4) = 0.1 \text{ моль} \cdot 174 \text{ г/моль} = 17.4$ г.

9. Найдем массу конечного раствора. Она равна сумме масс двух смешанных растворов, так как в ходе реакции не выделялись газообразные вещества.

$m(\text{конечн. р-ра}) = m_1(\text{раствора}) + m(\text{р-ра } H_2SO_4) = 56 \text{ г} + 98 \text{ г} = 154$ г.

10. Определим массовую долю соли в полученном растворе.

$\omega(K_2SO_4) = \frac{m(K_2SO_4)}{m(\text{конечн. р-ра})} = \frac{17.4 \text{ г}}{154 \text{ г}} \approx 0.112987$

Для перевода в проценты, умножим результат на 100%:

$\omega(K_2SO_4) \approx 0.113 \cdot 100\% = 11.3\%$

Ответ:

Массовая доля соли (сульфата калия) в полученном растворе составляет приблизительно 11.3%.

8.35. При нагревании оксида бария в кислороде образовалась смесь, содержащая 17,4% кислорода по массе. Определите состав этой смеси в мольных процентах.

Дано:

$ω(O) = 17.4\% = 0.174$

Найти:

$χ(BaO)$ - ?, $χ(BaO_2)$ - ?

Решение:

При нагревании оксида бария в кислороде происходит обратимая реакция образования пероксида бария:

$2BaO + O_2 \rightleftharpoons 2BaO_2$

Образовавшаяся смесь состоит из непрореагировавшего оксида бария ($BaO$) и образовавшегося пероксида бария ($BaO_2$).

Вычислим молярные массы веществ, используя периодическую таблицу:

$M(Ba) = 137 \text{ г/моль}$

$M(O) = 16 \text{ г/моль}$

$M(BaO) = 137 + 16 = 153 \text{ г/моль}$

$M(BaO_2) = 137 + 2 \cdot 16 = 169 \text{ г/моль}$

Для удобства расчетов предположим, что масса смеси составляет 100 г. Тогда масса кислорода в этой смеси равна:

$m(O) = m_{смеси} \cdot ω(O) = 100 \text{ г} \cdot 0.174 = 17.4 \text{ г}$

Масса бария в смеси, соответственно, составит:

$m(Ba) = m_{смеси} - m(O) = 100 \text{ г} - 17.4 \text{ г} = 82.6 \text{ г}$

Теперь найдем количество вещества (в молях) атомов бария и кислорода в смеси:

$n(Ba) = \frac{m(Ba)}{M(Ba)} = \frac{82.6 \text{ г}}{137 \text{ г/моль}} \approx 0.6029 \text{ моль}$

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{17.4 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 1.0875 \text{ моль}$

Пусть в смеси содержится $x$ моль $BaO$ и $y$ моль $BaO_2$. Составим систему уравнений на основе баланса атомов бария и кислорода:

1. Баланс по барию (в каждой молекуле $BaO$ и $BaO_2$ по одному атому бария):

$x + y = n(Ba) = 0.6029$

2. Баланс по кислороду (в молекуле $BaO$ один атом кислорода, в $BaO_2$ - два):

$x + 2y = n(O) = 1.0875$

Решим эту систему уравнений. Вычтем первое уравнение из второго:

$(x + 2y) - (x + y) = 1.0875 - 0.6029$

$y = 0.4846 \text{ моль}$ (это количество вещества $BaO_2$)

Подставим значение $y$ в первое уравнение, чтобы найти $x$:

$x + 0.4846 = 0.6029$

$x = 0.6029 - 0.4846 = 0.1183 \text{ моль}$ (это количество вещества $BaO$)

Таким образом, в 100 г смеси содержится $0.1183 \text{ моль } BaO$ и $0.4846 \text{ моль } BaO_2$.

Общее количество вещества в смеси:

$n_{смеси} = n(BaO) + n(BaO_2) = x + y = 0.1183 + 0.4846 = 0.6029 \text{ моль}$

Теперь можем определить состав смеси в мольных процентах:

Мольная доля оксида бария $BaO$:

$\chi(BaO) = \frac{n(BaO)}{n_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{0.1183 \text{ моль}}{0.6029 \text{ моль}} \cdot 100\% \approx 19.62\%$

Мольная доля пероксида бария $BaO_2$:

$\chi(BaO_2) = \frac{n(BaO_2)}{n_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{0.4846 \text{ моль}}{0.6029 \text{ моль}} \cdot 100\% \approx 80.38\%$

Для повышения точности можно провести расчеты без промежуточных округлений:

$n(BaO_2) = n(O) - n(Ba) = 1.0875 - \frac{82.6}{137}$

$n(BaO) = 2 \cdot n(Ba) - n(O) = 2 \cdot \frac{82.6}{137} - 1.0875$

$\chi(BaO) = \frac{2 \cdot n(Ba) - n(O)}{n(Ba)} \cdot 100\% = (2 - \frac{n(O)}{n(Ba)}) \cdot 100\% = (2 - \frac{1.0875}{82.6/137}) \cdot 100\% \approx 19.63\%$

$\chi(BaO_2) = \frac{n(O) - n(Ba)}{n(Ba)} \cdot 100\% = (\frac{n(O)}{n(Ba)} - 1) \cdot 100\% = (\frac{1.0875}{82.6/137} - 1) \cdot 100\% \approx 80.37\%$

Ответ: мольная доля оксида бария ($BaO$) в смеси составляет $19.63\%$, а мольная доля пероксида бария ($BaO_2$) – $80.37\%$.

8.36. Неизвестная соль окрашивает пламя в жёлто-зелёный цвет, а при действии на неё раствора серной кислоты образует белый осадок и выделяет бурый газ. Назовите эту соль. Запишите уравнения реакций.

Решение

Для определения неизвестной соли проанализируем предоставленные данные.

1. Окрашивание пламени в жёлто-зелёный цвет является качественной реакцией на катион бария ($Ba^{2+}$). Таким образом, в составе соли присутствует барий.

2. При действии раствора серной кислоты ($H_2SO_4$) образуется белый осадок. Это подтверждает наличие ионов бария, которые с сульфат-ионами ($SO_4^{2-}$) из кислоты образуют нерастворимый белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$).

3. Одновременно с осадком выделяется бурый газ. Характерный бурый цвет имеет диоксид азота ($NO_2$). Его выделение при реакции с кислотой указывает на то, что анионом в соли является нитрит-ион ($NO_2^{-}$). При взаимодействии нитритов с сильными кислотами образуется слабая и неустойчивая азотистая кислота ($HNO_2$), которая разлагается. Один из продуктов разложения, оксид азота(II) ($NO$), на воздухе окисляется до бурого $NO_2$.

Исходя из анализа, неизвестная соль состоит из катиона бария ($Ba^{2+}$) и нитрит-аниона ($NO_2^{-}$). Формула соли — $Ba(NO_2)_2$, название — нитрит бария.

Запишем уравнения реакций, происходящих при добавлении серной кислоты к нитриту бария.

Сначала происходит реакция ионного обмена с образованием осадка сульфата бария и азотистой кислоты: $Ba(NO_2)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HNO_2$

Азотистая кислота неустойчива и сразу же разлагается (диспропорционирует): $3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO \uparrow + H_2O$

Выделившийся бесцветный газ, оксид азота(II) $NO$, реагирует с кислородом воздуха, образуя бурый газ — диоксид азота $NO_2$: $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2 \uparrow$

Ответ:

Неизвестная соль – нитрит бария, формула $Ba(NO_2)_2$.

Уравнения реакций:

$Ba(NO_2)_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HNO_2$

$3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO \uparrow + H_2O$

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2 \uparrow$

8.37. Неизвестная соль растворима в воде, окрашивает пламя в кирпично-красный цвет, при действии на неё раствора серной кислоты образуется белый осадок, а при одновременном добавлении в этот раствор медной стружки наблюдается её медленное растворение с выделением бурого газа и образованием голубого раствора. Назовите эту соль. Запишите уравнения реакций.

Решение

Для определения состава неизвестной соли необходимо проанализировать последовательно все качественные признаки, описанные в условии задачи.

1. «...окрашивает пламя в кирпично-красный цвет...». Такой цвет пламени характерен для солей кальция. Следовательно, катионом в составе неизвестной соли является ион кальция ($Ca^{2+}$).

2. «...при действии на неё раствора серной кислоты образуется белый осадок...». Ионы кальция ($Ca^{2+}$) при взаимодействии с сульфат-ионами ($SO_4^{2-}$) из серной кислоты образуют малорастворимый белый осадок сульфата кальция ($CaSO_4$). Это наблюдение подтверждает предположение о том, что катионом является кальций.

3. «...при одновременном добавлении в этот раствор медной стружки наблюдается её медленное растворение с выделением бурого газа и образованием голубого раствора...». Этот комплекс явлений указывает на протекание окислительно-восстановительной реакции.
- Медь ($Cu$) является металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений после водорода, поэтому она не может вытеснить водород из серной кислоты (если кислота не концентрированная). Растворение меди возможно только в присутствии сильного окислителя.
- Выделение бурого газа, которым является диоксид азота ($NO_2$), однозначно указывает на то, что окислителем выступает нитрат-ион ($NO_3^-$) в кислой среде (которую создает серная кислота).
- Образование голубого раствора свидетельствует о появлении в растворе ионов меди(II) ($Cu^{2+}$).
Следовательно, анионом в составе исходной соли является нитрат-ион ($NO_3^-$).

Сопоставляя катион ($Ca^{2+}$) и анион ($NO_3^-$), приходим к выводу, что неизвестная соль — это нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$). Данная соль хорошо растворима в воде, что не противоречит условию задачи.

Уравнения реакций, описанных в задаче:

1. Реакция ионного обмена между нитратом кальция и серной кислотой с образованием белого осадка сульфата кальция:
$Ca(NO_3)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4\downarrow + 2HNO_3$

2. Окислительно-восстановительная реакция, протекающая при добавлении меди в раствор, содержащий нитрат кальция и серную кислоту. В этой реакции нитрат-ион в кислой среде окисляет медь:
$Cu + Ca(NO_3)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + CaSO_4\downarrow + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ: Неизвестная соль – нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$). Уравнения реакций:
$Ca(NO_3)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4\downarrow + 2HNO_3$
$Cu + Ca(NO_3)_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + CaSO_4\downarrow + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$