Страница 233 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.47. Кристаллогидрат нитрата магния выдержали в вакууме при небольшом нагревании. В результате масса твёрдого вещества уменьшилась на 28,3%. Определите формулы исходного и конечного веществ.

Дано:

Кристаллогидрат нитрата магния $Mg(NO_3)_2 \cdot nH_2O$

Уменьшение массы $\Delta m = 28.3\%$

Найти:

Формулу исходного вещества - $Mg(NO_3)_2 \cdot nH_2O$

Формулу конечного вещества - $Mg(NO_3)_2 \cdot mH_2O$

Решение:

При выдерживании кристаллогидрата нитрата магния в вакууме при небольшом нагревании происходит частичная потеря кристаллизационной воды (дегидратация). Уменьшение массы твердого вещества происходит за счет испарения воды.

Общее уравнение реакции можно записать в виде:

$Mg(NO_3)_2 \cdot nH_2O \rightarrow Mg(NO_3)_2 \cdot mH_2O + (n-m)H_2O\uparrow$

где $n$ – число молекул воды в исходном кристаллогидрате, а $m$ – в конечном ($n > m \ge 0$).

Массовая доля потерянной воды в исходном кристаллогидрате составляет 28,3%, или 0,283.

$\omega(H_2O_{lost}) = \frac{\text{масса потерянной воды}}{\text{масса исходного вещества}} = \frac{(n-m) \cdot M(H_2O)}{M(Mg(NO_3)_2 \cdot nH_2O)} = 0.283$

Рассчитаем молярные массы:

Молярная масса воды $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ г/моль.

Молярная масса безводного нитрата магния $M(Mg(NO_3)_2) = 24.3 + 2 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 148.3$ г/моль.

Молярная масса исходного кристаллогидрата: $M(Mg(NO_3)_2 \cdot nH_2O) = 148.3 + 18n$ г/моль.

Подставим значения в уравнение для массовой доли:

$\frac{(n-m) \cdot 18}{148.3 + 18n} = 0.283$

Мы получили одно уравнение с двумя целыми неизвестными $n$ и $m$. Наиболее распространенным кристаллогидратом нитрата магния является гексагидрат, $Mg(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$. Предположим, что это и есть исходное вещество, то есть $n=6$.

Подставим $n=6$ в уравнение и найдем количество потерянных молекул воды $(6-m)$:

$\frac{(6-m) \cdot 18}{148.3 + 18 \cdot 6} = 0.283$

$\frac{(6-m) \cdot 18}{148.3 + 108} = 0.283$

$\frac{(6-m) \cdot 18}{256.3} = 0.283$

$(6-m) \cdot 18 = 0.283 \cdot 256.3 \approx 72.53$

$6-m = \frac{72.53}{18} \approx 4.03$

Так как число молекул воды должно быть целым, то количество потерянных молекул воды равно 4. Следовательно, $6-m=4$, откуда $m=2$.

Таким образом, исходное вещество – это гексагидрат нитрата магния $Mg(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$, а конечное – дигидрат нитрата магния $Mg(NO_3)_2 \cdot 2H_2O$.

Проверим наше предположение, рассчитав точную потерю массы для этой реакции:

$Mg(NO_3)_2 \cdot 6H_2O \rightarrow Mg(NO_3)_2 \cdot 2H_2O + 4H_2O$

Масса исходного вещества (1 моль): $M(Mg(NO_3)_2 \cdot 6H_2O) = 148.3 + 6 \cdot 18 = 256.3$ г.

Масса потерянной воды (4 моль): $m(H_2O) = 4 \cdot 18 = 72$ г.

Массовая доля потерянной воды:

$\omega = \frac{72}{256.3} \cdot 100\% \approx 28.09\%$

Полученное значение 28,09% очень близко к значению, данному в условии задачи (28,3%). Небольшое расхождение можно объяснить округлением данных в условии.

Ответ: Формула исходного вещества – $Mg(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ (гексагидрат нитрата магния). Формула конечного вещества – $Mg(NO_3)_2 \cdot 2H_2O$ (дигидрат нитрата магния).

8.48. Два металла, проявляющие в соединениях одинаковую валентность, смешали в эквимолярном соотношении и нагрели без доступа воздуха. После охлаждения до комнатной температуры получили жидкость массой 9,3 г. Эта жидкость бурно реагирует с бромом, образуя твёрдое вещество массой 33,3 г. Определите металлы и состав твёрдого вещества (в % по массе). Составьте уравнения реакций.

Дано:

$m(\text{жидкости}) = 9,3 \text{ г}$
$m(\text{твёрдого вещества}) = 33,3 \text{ г}$
соотношение металлов: эквимолярное

Найти:

Металлы - ?
Состав твёрдого вещества (в % по массе) - ?
Уравнения реакций - ?

Решение:

Обозначим два металла как $Me_1$ и $Me_2$. По условию, они смешаны в эквимолярном соотношении, то есть их количества вещества равны: $\nu(Me_1) = \nu(Me_2) = n$.

При нагревании металлы образуют сплав, который при комнатной температуре является жидкостью. Это свойство характерно для сплава щелочных металлов натрия (Na) и калия (K). Проверим эту гипотезу. Валентность натрия и калия в соединениях равна I.

Масса исходного жидкого сплава равна сумме масс металлов: $m(\text{сплава}) = m(Me_1) + m(Me_2) = n \cdot M(Me_1) + n \cdot M(Me_2) = n(M(Me_1) + M(Me_2)) = 9,3 \text{ г}$.

Эта жидкость (сплав) реагирует с бромом, образуя твёрдое вещество (смесь бромидов металлов). Масса прореагировавшего брома равна разности масс конечного твёрдого вещества и исходной жидкости: $m(Br_2) = m(\text{твёрдого вещества}) - m(\text{жидкости}) = 33,3 \text{ г} - 9,3 \text{ г} = 24,0 \text{ г}$.

Найдем количество вещества прореагировавшего брома. Молярная масса брома $M(Br_2) = 2 \cdot 80 = 160 \text{ г/моль}$. $\nu(Br_2) = \frac{m(Br_2)}{M(Br_2)} = \frac{24,0 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0,15 \text{ моль}$.

Соответственно, количество вещества атомов брома равно: $\nu(Br) = 2 \cdot \nu(Br_2) = 2 \cdot 0,15 \text{ моль} = 0,30 \text{ моль}$.

Пусть валентность металлов равна $v$. Тогда уравнение реакции в общем виде: $2Me + v Br_2 \rightarrow 2MeBr_v$

Общее количество вещества металлов в сплаве: $\nu(\text{металлов}) = \nu(Me_1) + \nu(Me_2) = n + n = 2n$. Из стехиометрии реакции следует, что на $2n$ моль металлов с валентностью $v$ требуется $2n \cdot v$ моль атомов брома. $2n \cdot v = \nu(Br) = 0,30 \text{ моль}$.

Получаем систему уравнений: 1) $n(M(Me_1) + M(Me_2)) = 9,3$ 2) $2nv = 0,30 \implies nv = 0,15$

Из второго уравнения выразим $n = \frac{0,15}{v}$ и подставим в первое: $\frac{0,15}{v}(M(Me_1) + M(Me_2)) = 9,3$ $M(Me_1) + M(Me_2) = \frac{9,3 \cdot v}{0,15} = 62v$

Проверим нашу гипотезу о том, что металлы - натрий и калий. Их валентность $v=1$. При $v=1$: $M(Me_1) + M(Me_2) = 62 \cdot 1 = 62 \text{ г/моль}$.

Молярные массы натрия и калия: $M(Na) = 23 \text{ г/моль}$, $M(K) = 39 \text{ г/моль}$. Их сумма: $M(Na) + M(K) = 23 + 39 = 62 \text{ г/моль}$. Гипотеза верна, искомые металлы — натрий и калий.

Найдем количество вещества $n$: $n = \frac{0,15}{v} = \frac{0,15}{1} = 0,15 \text{ моль}$. Значит, в сплаве содержалось $0,15$ моль натрия и $0,15$ моль калия.

Твёрдое вещество, образовавшееся после реакции с бромом, представляет собой смесь бромида натрия ($NaBr$) и бромида калия ($KBr$). Найдем массы образовавшихся солей: $\nu(NaBr) = \nu(Na) = 0,15 \text{ моль}$ $\nu(KBr) = \nu(K) = 0,15 \text{ моль}$

$M(NaBr) = 23 + 80 = 103 \text{ г/моль}$ $m(NaBr) = \nu(NaBr) \cdot M(NaBr) = 0,15 \text{ моль} \cdot 103 \text{ г/моль} = 15,45 \text{ г}$

$M(KBr) = 39 + 80 = 119 \text{ г/моль}$ $m(KBr) = \nu(KBr) \cdot M(KBr) = 0,15 \text{ моль} \cdot 119 \text{ г/моль} = 17,85 \text{ г}$

Общая масса твёрдого вещества: $m(\text{смеси}) = m(NaBr) + m(KBr) = 15,45 \text{ г} + 17,85 \text{ г} = 33,3 \text{ г}$. Это совпадает с данными задачи.

Теперь определим массовые доли компонентов в твёрдом веществе: $\omega(NaBr) = \frac{m(NaBr)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{15,45 \text{ г}}{33,3 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 46,4\%$ $\omega(KBr) = \frac{m(KBr)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{17,85 \text{ г}}{33,3 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 53,6\%$

Определите металлы и состав твёрдого вещества (в % по массе)

Металлы: Натрий (Na) и Калий (K).

Состав твёрдого вещества (смеси бромидов NaBr и KBr):

Массовая доля бромида натрия ($\omega(NaBr)$) ≈ 46,4 %

Массовая доля бромида калия ($\omega(KBr)$) ≈ 53,6 %

Ответ: Металлы – натрий и калий. Состав твёрдого вещества: 46,4 % NaBr и 53,6 % KBr.

Составьте уравнения реакций

Реакция образования сплава не является химической реакцией с образованием нового вещества, это процесс смешения и плавления. Реакции металлов с бромом:

$2Na + Br_2 \rightarrow 2NaBr$

$2K + Br_2 \rightarrow 2KBr$

Ответ: $2Na + Br_2 \rightarrow 2NaBr$; $2K + Br_2 \rightarrow 2KBr$.

8.49. Смесь пероксида и оксида бария, в которой соотношение числа атомов бария к числу атомов кислорода равно 5 : 9, растворили в 490 г холодного 20%-го раствора серной кислоты. При этом соединения бария прореагировали полностью и образовался нейтральный раствор. Вычислите массовую долю воды в образовавшемся растворе.

Дано:

Смесь $BaO$ и $BaO_2$

Соотношение атомов $N(Ba) : N(O) = 5 : 9$

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 490$ г

$\omega(H_2SO_4) = 20\%$ или $0.20$

Реакции прошли полностью, конечный раствор нейтральный.

Найти:

$\omega_{конечн.}(H_2O) - ?$

Решение:

1. Составим уравнения реакций, протекающих при растворении смеси в серной кислоте:

$BaO + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + H_2O$ (1)

$BaO_2 + H_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + H_2O_2$ (2)

Сульфат бария ($BaSO_4$) является нерастворимым осадком.

2. Определим мольное соотношение оксида и пероксида бария в исходной смеси. Пусть в смеси содержится $x$ моль $BaO$ и $y$ моль $BaO_2$.

Тогда общее количество вещества атомов бария: $n(Ba) = x + y$.

Общее количество вещества атомов кислорода: $n(O) = x \cdot 1 + y \cdot 2 = x + 2y$.

По условию, соотношение числа атомов равно $5 : 9$:

$\frac{n(Ba)}{n(O)} = \frac{x+y}{x+2y} = \frac{5}{9}$

$9(x+y) = 5(x+2y)$

$9x + 9y = 5x + 10y$

$4x = y$

Следовательно, мольное соотношение $n(BaO) : n(BaO_2) = x : y = x : 4x = 1 : 4$.

3. Вычислим количество вещества серной кислоты в исходном растворе.

Масса серной кислоты:

$m(H_2SO_4) = m_{р-ра}(H_2SO_4) \cdot \omega(H_2SO_4) = 490 \text{ г} \cdot 0.20 = 98$ г.

Молярная масса серной кислоты:

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

Количество вещества серной кислоты:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{98 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 1$ моль.

4. Так как соединения бария и серная кислота прореагировали полностью, то общее количество вещества оксидов равно количеству вещества кислоты.

$n(BaO) + n(BaO_2) = n_{общ}(H_2SO_4) = 1$ моль.

Используя найденное соотношение ($n(BaO_2) = 4 \cdot n(BaO)$), найдем количество каждого вещества:

$n(BaO) + 4 \cdot n(BaO) = 1$ моль

$5 \cdot n(BaO) = 1$ моль

$n(BaO) = 0.2$ моль.

$n(BaO_2) = 4 \cdot 0.2 = 0.8$ моль.

5. Рассчитаем массу конечного раствора. Масса конечного раствора равна сумме масс исходного раствора кислоты и смеси оксидов за вычетом массы выпавшего осадка.

Масса смеси оксидов:

$M(BaO) = 137 + 16 = 153$ г/моль.

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

$m(BaO) = 0.2 \text{ моль} \cdot 153 \text{ г/моль} = 30.6$ г.

$m(BaO_2) = 0.8 \text{ моль} \cdot 169 \text{ г/моль} = 135.2$ г.

$m_{смеси} = 30.6 + 135.2 = 165.8$ г.

Масса осадка $BaSO_4$:

Общее количество вещества осадка $n(BaSO_4) = n(BaO) + n(BaO_2) = 0.2 + 0.8 = 1$ моль.

$M(BaSO_4) = 137 + 32 + 4 \cdot 16 = 233$ г/моль.

$m(BaSO_4) = 1 \text{ моль} \cdot 233 \text{ г/моль} = 233$ г.

Масса конечного раствора:

$m_{конечн. р-ра} = m_{исх. р-ра}(H_2SO_4) + m_{смеси} - m(BaSO_4) = 490 \text{ г} + 165.8 \text{ г} - 233 \text{ г} = 422.8$ г.

6. Рассчитаем массу воды в конечном растворе. Она складывается из массы воды в исходном растворе и массы воды, образовавшейся в реакции (1).

Масса воды в исходном растворе:

$m_{исх.}(H_2O) = m_{р-ра}(H_2SO_4) - m(H_2SO_4) = 490 \text{ г} - 98 \text{ г} = 392$ г.

Масса воды, образовавшейся в реакции (1):

По уравнению (1), $n_{обр.}(H_2O) = n(BaO) = 0.2$ моль.

$M(H_2O) = 18$ г/моль.

$m_{обр.}(H_2O) = 0.2 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 3.6$ г.

Общая масса воды в конечном растворе:

$m_{конечн.}(H_2O) = m_{исх.}(H_2O) + m_{обр.}(H_2O) = 392 \text{ г} + 3.6 \text{ г} = 395.6$ г.

7. Вычислим массовую долю воды в образовавшемся растворе.

$\omega_{конечн.}(H_2O) = \frac{m_{конечн.}(H_2O)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{395.6 \text{ г}}{422.8 \text{ г}} \approx 0.9357$

$\omega_{конечн.}(H_2O) = 0.9357 \cdot 100\% = 93.57\%$

Ответ: массовая доля воды в образовавшемся растворе составляет 93,57%.

8.50. Почему имеющийся в школьной лаборатории алюминий, будучи химически активным, не вытесняет водород из воды?

Решение

Алюминий ($Al$) — это химически активный металл. В электрохимическом ряду напряжений металлов он расположен значительно левее водорода, что указывает на его способность вытеснять водород из воды. Теоретически реакция должна протекать по следующему уравнению:

$$2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2\uparrow$$

Однако в обычных условиях (например, при погружении алюминиевой проволоки или фольги в воду в школьной лаборатории) эта реакция не происходит. Причиной этого является пассивация металла.

Пассивация алюминия заключается в том, что при контакте с кислородом воздуха на его поверхности мгновенно образуется очень тонкая, но чрезвычайно прочная и плотная защитная пленка оксида алюминия ($Al_2O_3$):

$$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$$

Эта оксидная пленка является химически инертной, нерастворимой в воде и не имеет пор. Она прочно сцеплена с поверхностью металлического алюминия и служит надежным барьером, который физически изолирует металл от контакта с молекулами воды. Пока эта пленка цела, реакция между алюминием и водой невозможна.

Для того чтобы реакция началась, необходимо разрушить эту защитную оксидную пленку. Это можно сделать механически (например, зачистив поверхность наждачной бумагой) или химически (обработав алюминий раствором щелочи или кислоты, так как оксид алюминия амфотерен и растворяется в них). После удаления пленки алюминий начинает бурно реагировать с водой.

Ответ: Алюминий не вытесняет водород из воды, потому что его поверхность покрыта тонкой, прочной и химически стойкой оксидной пленкой ($Al_2O_3$), которая образуется на воздухе и защищает металл от дальнейшего взаимодействия с водой.

8.51. Что происходит при взаимодействии алюминия с горячим раствором карбоната натрия? Запишите уравнение реакции.

При взаимодействии алюминия с горячим раствором карбоната натрия происходит химическая реакция, в результате которой алюминий растворяется с выделением водорода. Это явление объясняется совокупностью нескольких факторов.

Во-первых, карбонат натрия ($Na_2CO_3$) является солью, образованной сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$), поэтому в водном растворе он подвергается гидролизу по аниону: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$ В результате гидролиза в растворе образуются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые создают щелочную среду. Нагревание раствора значительно усиливает гидролиз, смещая равновесие вправо и увеличивая концентрацию $OH^-$.

Во-вторых, алюминий ($Al$) — это амфотерный металл. Его поверхность в обычных условиях покрыта тонкой, но очень прочной защитной оксидной пленкой ($Al_2O_3$), которая также обладает амфотерными свойствами. В щелочной среде, созданной горячим раствором карбоната натрия, эта защитная пленка растворяется. После этого очищенный от оксида металлический алюминий начинает реагировать с водой. Образующийся в ходе этой реакции амфотерный гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) немедленно вступает в реакцию с гидроксид-ионами. В итоге образуется хорошо растворимая в воде комплексная соль — тетрагидроксоалюминат натрия ($Na[Al(OH)_4]$) — и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Суммарное уравнение реакции, учитывающее все процессы, выглядит следующим образом:

$2Al + 2Na_2CO_3 + 8H_2O \xrightarrow{t} 2Na[Al(OH)_4] + 2NaHCO_3 + 3H_2\uparrow$

Таким образом, при добавлении алюминия в горячий раствор карбоната натрия можно наблюдать растворение металла и интенсивное выделение пузырьков газа (водорода).

Ответ: При взаимодействии алюминия с горячим раствором карбоната натрия происходит растворение алюминия с выделением газообразного водорода. Реакция протекает из-за амфотерных свойств алюминия и щелочной среды, возникающей в результате гидролиза карбоната натрия, который усиливается при нагревании. Уравнение реакции:
$2Al + 2Na_2CO_3 + 8H_2O \xrightarrow{t} 2Na[Al(OH)_4] + 2NaHCO_3 + 3H_2\uparrow$

8.52. К раствору хлорида алюминия по каплям прибавляют раствор гидроксида натрия. Опишите изменения, которые происходят с раствором, и объясните их.

Решение

При добавлении по каплям раствора гидроксида натрия ($NaOH$) к раствору хлорида алюминия ($AlCl_3$) последовательно протекают две химические реакции, что приводит к наблюдаемым изменениям.

Этап 1. Образование осадка

Вначале, при добавлении недостатка или эквимолярного количества щелочи, происходит реакция обмена. Катионы алюминия ($Al^{3+}$) реагируют с гидроксид-ионами ($OH^-$), образуя нерастворимый в воде гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$). Визуально это наблюдается как появление белого студенистого (гелеобразного) осадка. По мере приливания раствора щелочи количество осадка увеличивается.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$AlCl_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

Уравнение реакции в сокращенном ионном виде:

$Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow$

Этап 2. Растворение осадка

Гидроксид алюминия является амфотерным, то есть способен реагировать как с кислотами, так и с сильными основаниями (щелочами). Поэтому, когда весь хлорид алюминия прореагировал и в раствор продолжает поступать избыток гидроксида натрия, образовавшийся осадок $Al(OH)_3$ начинает с ним реагировать. В результате этой реакции образуется хорошо растворимая в воде комплексная соль — тетрагидроксоалюминат натрия ($Na[Al(OH)_4]$). Визуально это наблюдается как постепенное растворение белого осадка до тех пор, пока раствор снова не станет полностью прозрачным и бесцветным.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$Al(OH)_3 + NaOH_{\text{(изб.)}} \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Уравнение реакции в сокращенном ионном виде:

$Al(OH)_3(s) + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$

Ответ: При постепенном добавлении раствора гидроксида натрия к раствору хлорида алюминия сначала наблюдается образование белого студенистого осадка гидроксида алюминия. При дальнейшем добавлении избытка раствора гидроксида натрия этот осадок полностью растворяется, и раствор становится прозрачным. Это объясняется амфотерными свойствами гидроксида алюминия: сначала он образуется в реакции обмена, а затем реагирует с избытком щелочи, образуя растворимый гидроксокомплекс.

8.53. При действии порошка алюминия на раствор сульфита натрия с добавленным в него гидроксидом натрия образуется сульфид натрия. Запишите уравнение реакции.

В данной задаче происходит окислительно-восстановительная реакция в щелочной среде. Реагентами являются порошок алюминия ($Al$), сульфит натрия ($Na_2SO_3$) и гидроксид натрия ($NaOH$). Продуктами реакции, согласно условию, является сульфид натрия ($Na_2S$). Алюминий, как активный металл и сильный восстановитель, в щелочной среде окисляется с образованием комплексного соединения — тетрагидроксоалюмината натрия ($Na[Al(OH)_4]$).

Решение

Для составления уравнения реакции воспользуемся методом электронно-ионного баланса. Сначала определим степени окисления элементов, которые их изменяют. Алюминий ($Al$) переходит из степени окисления $0$ в $+3$, являясь восстановителем. Сера ($S$) в сульфит-ионе ($SO_3^{2-}$) переходит из степени окисления $+4$ в $-2$ в сульфид-ионе ($S^{2-}$), являясь окислителем.

Составим полуреакции окисления и восстановления для щелочной среды:

Процесс окисления алюминия (восстановитель):

$Al^0 + 4OH^- - 3e^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$

Процесс восстановления сульфит-иона (окислитель):

$SO_3^{2-} + 3H_2O + 6e^- \rightarrow S^{2-} + 6OH^-$

Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, найдем наименьшее общее кратное для 3 и 6, которое равно 6. Умножим первую полуреакцию на 2, а вторую оставим без изменений (умножим на 1):

$2 | Al + 4OH^- - 3e^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$

$1 | SO_3^{2-} + 3H_2O + 6e^- \rightarrow S^{2-} + 6OH^-$

Суммируем обе полуреакции, чтобы получить ионное уравнение:

$2Al + 8OH^- + SO_3^{2-} + 3H_2O \rightarrow 2[Al(OH)_4]^- + S^{2-} + 6OH^-$

Сокращаем одинаковые ионы ($OH^-$) в левой и правой частях уравнения:

$2Al + 2OH^- + SO_3^{2-} + 3H_2O \rightarrow 2[Al(OH)_4]^- + S^{2-}$

Теперь запишем полное молекулярное уравнение, добавив недостающие ионы натрия ($Na^+$) к анионам в ионном уравнении:

$2Al + Na_2SO_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + Na_2S$

Проверим баланс атомов в итоговом уравнении: слева 2 Al, 4 Na, 1 S, 8 O, 8 H; справа 2 Al, 4 Na, 1 S, 8 O, 8 H. Баланс соблюден.

Ответ: $2Al + Na_2SO_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + Na_2S$

8.54. Как из алюминия в минимальное число стадий можно получить алюмокалиевые квасцы? Запишите уравнения реакций.

Алюмокалиевые квасцы – это кристаллогидрат двойной соли сульфата алюминия и сульфата калия, химическая формула которого $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$. Получить их из металлического алюминия можно в минимально две стадии.

Стадия 1. Получение сульфата алюминия

Первый этап заключается в растворении металлического алюминия в разбавленной серной кислоте. Алюминий является достаточно активным металлом, чтобы вытеснять водород из кислот. В результате этой реакции образуется сульфат алюминия и выделяется газообразный водород.

Уравнение реакции:

$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2 \uparrow$

Стадия 2. Получение алюмокалиевых квасцов

На втором этапе к полученному водному раствору сульфата алюминия добавляют эквимолярное количество сульфата калия (в виде раствора или твердой соли). В смешанном растворе присутствуют ионы $K^+$, $Al^{3+}$ и $SO_4^{2-}$. При медленном охлаждении или частичном испарении воды из раствора кристаллизуется двойная соль — алюмокалиевые квасцы.

Уравнение процесса кристаллизации:

$Al_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 24H_2O \rightarrow 2KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O \downarrow$

Таким образом, предложенный двухстадийный процесс является наиболее простым и прямым способом получения алюмокалиевых квасцов из алюминия.

Ответ: Минимальное число стадий для получения алюмокалиевых квасцов из алюминия — две. Уравнения реакций для этих стадий:
1. $2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2 \uparrow$
2. $Al_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 24H_2O \rightarrow 2KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O \downarrow$

8.55. Алюминий растворили в растворе гидроксида натрия. Наблюдали выделение газа. К полученному бесцветному раствору добавили хлорид аммония до полного осаждения белого осадка. Осадок прокалили. Продукт прокаливания смешали с избытком угля и сильно нагрели. Запишите уравнения реакций.

Решение

Процесс, описанный в задаче, включает в себя четыре последовательные химические реакции.

1. Алюминий является амфотерным металлом и реагирует с водным раствором гидроксида натрия. В ходе этой реакции образуется комплексное соединение — тетрагидроксоалюминат натрия — и выделяется газообразный водород, что соответствует наблюдению выделения газа.

Уравнение реакции:

$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$

2. К полученному бесцветному раствору тетрагидроксоалюмината натрия добавляют хлорид аммония до полного осаждения. Хлорид аммония, являясь солью слабого основания и сильной кислоты, гидролизуется с образованием ионов $H_3O^+$, которые разрушают гидроксокомплекс. В результате реакции выпадает белый осадок гидроксида алюминия. Также выделяется аммиак.

Уравнение реакции:

$Na[Al(OH)_4] + NH_4Cl \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$

3. Белый осадок гидроксида алюминия прокаливают, то есть нагревают до высокой температуры. При этом гидроксид алюминия разлагается на оксид алюминия и воду, которая испаряется.

Уравнение реакции:

$2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^{\circ}} Al_2O_3 + 3H_2O\uparrow$

4. Продукт прокаливания, оксид алюминия, смешивают с избытком угля (углерода) и сильно нагревают. При очень высокой температуре (около 2000°C) происходит реакция карбидообразования — образуется карбид алюминия и угарный газ.

Уравнение реакции:

$2Al_2O_3 + 9C \xrightarrow{t^{\circ}} Al_4C_3 + 6CO\uparrow$

Ответ:

1. $2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$

2. $Na[Al(OH)_4] + NH_4Cl \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$

3. $2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^{\circ}} Al_2O_3 + 3H_2O\uparrow$

4. $2Al_2O_3 + 9C \xrightarrow{t^{\circ}} Al_4C_3 + 6CO\uparrow$