Номер 9, страница 179 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 37. Олово и свинец. Глава 3. Металлы главных подгрупп - номер 9, страница 179.

Условие.

9. Оксид элемента А массой 4,35 г (содержание элемента А в оксиде 81,6%) полностью прореагировал с алюминием массой 1,8 г. При реакции выделилось большое количество теплоты. Продукты реакции растворили в 10%-й соляной кислоте, при этом выделение газа не наблюдали. В растворе обнаружено единственное вещество — хлорид алюминия. Определите состав оксида. Напишите уравнения реакций.

Решение.

Решение 2.

Дано:

$m(A_xO_y) = 4,35 \text{ г}$
$\omega(A) = 81,6\% = 0,816$
$m(Al) = 1,8 \text{ г}$
$\omega(HCl) = 10\%$
В продуктах реакции с кислотой газ отсутствует, единственное растворенное вещество - $AlCl_3$.

Найти:

Формулу оксида $A_xO_y$ и уравнения реакций.

Решение:

1. Определим массы и количество вещества элемента А и кислорода в оксиде.
Масса элемента А в оксиде:
$m(A) = m(A_xO_y) \cdot \omega(A) = 4,35 \text{ г} \cdot 0,816 = 3,5496 \text{ г}$
Масса кислорода в оксиде:
$m(O) = m(A_xO_y) - m(A) = 4,35 \text{ г} - 3,5496 \text{ г} = 0,8004 \text{ г}$
Количество вещества атомов кислорода в оксиде (молярная масса кислорода $M(O) = 16 \text{ г/моль}$):
$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{0,8004 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} \approx 0,05 \text{ моль}$

2. Определим молярную массу элемента А.
Пусть формула оксида - $A_xO_y$. Тогда соотношение молей элементов в оксиде равно соотношению их индексов:
$\frac{n(A)}{n(O)} = \frac{x}{y}$
$n(A) = \frac{m(A)}{M(A)} = \frac{3,5496}{M(A)}$
Подставим известные значения:
$\frac{3,5496 / M(A)}{0,05} = \frac{x}{y}$
Отсюда выразим молярную массу элемента А:
$M(A) = \frac{3,5496}{0,05} \cdot \frac{y}{x} \approx 71 \cdot \frac{y}{x}$

3. Подберем элемент А, проверив возможные формулы оксидов (соотношения $y/x$):

• Если формула $A_2O$ (степень окисления +1), то $y/x = 1/2$. $M(A) \approx 71 \cdot \frac{1}{2} = 35,5 \text{ г/моль}$. Это хлор (Cl), который является неметаллом и образует неустойчивые оксиды, что делает его маловероятным кандидатом для алюминотермии.
• Если формула $AO$ (степень окисления +2), то $y/x = 1$. $M(A) \approx 71 \cdot 1 = 71 \text{ г/моль}$. Этот результат близок к молярной массе германия (Ge, $M=72,6$ г/моль). Проверим массовую долю германия в $GeO$: $\omega(Ge) = \frac{72,6}{72,6+16} \cdot 100\% = 81,9\%$. Это значение очень близко к заданному в условии (81,6%). Германий не реагирует с соляной кислотой, что соответствует условию задачи.
• Если формула $A_2O_3$ (степень окисления +3), то $y/x = 3/2$. $M(A) \approx 71 \cdot \frac{3}{2} = 106,5 \text{ г/моль}$. Это близко к палладию (Pd, $M=106,4$ г/моль). Палладий не реагирует с HCl.
• Если формула $A_2O_5$ (степень окисления +5), то $y/x = 5/2$. $M(A) \approx 71 \cdot \frac{5}{2} = 177,5 \text{ г/моль}$. Это близко к танталу (Ta, $M=180,9$ г/моль). Тантал не реагирует с HCl.

Наиболее вероятным кандидатом является германий, так как его оксид $GeO$ имеет массовую долю элемента, практически совпадающую с условием задачи.
Итак, элемент А - это германий (Ge), а его оксид - $GeO$.

4. Напишем уравнение реакции алюминотермии и проанализируем стехиометрию.
$3GeO + 2Al \rightarrow 3Ge + Al_2O_3$
Рассчитаем количество вещества алюминия, необходимое для реакции с 4,35 г $GeO$.
Мы уже нашли, что в оксиде содержится $n(O) = 0,05$ моль, значит $n(GeO) = 0,05$ моль.
По уравнению реакции:
$n(Al) = \frac{2}{3} n(GeO) = \frac{2}{3} \cdot 0,05 \text{ моль} = \frac{1}{30} \text{ моль}$
Масса алюминия, необходимая для реакции (молярная масса $M(Al) = 27$ г/моль):
$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = \frac{1}{30} \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 0,9 \text{ г}$

5. Сравнение с данными задачи и вывод.
По условию задачи, в реакцию вступило 1,8 г алюминия. Это ровно в два раза больше, чем требуется для полного восстановления оксида германия ($1,8 \text{ г} = 2 \cdot 0,9 \text{ г}$). Если бы было взято 1,8 г алюминия, то 0,9 г из них остались бы в избытке после реакции.
При последующем растворении продуктов в соляной кислоте избыточный алюминий прореагировал бы с выделением водорода:
$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2 \uparrow$
Однако в условии четко сказано, что "выделение газа не наблюдали". Это указывает на наличие противоречия в исходных данных. Наиболее вероятным объяснением является опечатка в условии, и масса алюминия должна была составлять 0,9 г. При такой массе оба реагента вступают в реакцию полностью, без остатка.

6. Напишем уравнения реакций, исходя из предположения, что $m(Al) = 0,9$ г.
Первая реакция - восстановление оксида германия алюминием:
$3GeO + 2Al \xrightarrow{t} 3Ge + Al_2O_3$
Продукты этой реакции — твердый германий ($Ge$) и оксид алюминия ($Al_2O_3$).
Вторая реакция - растворение продуктов в соляной кислоте:
$Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$
Германий ($Ge$) является малоактивным металлоидом и не реагирует с соляной кислотой.
Таким образом, в конечном растворе единственным растворенным веществом будет хлорид алюминия, и газ выделяться не будет, что полностью соответствует условиям задачи.

Ответ: Состав оксида - оксид германия(II), формула $GeO$.
Уравнения реакций:
1) $3GeO + 2Al \xrightarrow{t} 3Ge + Al_2O_3$
2) $Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$