Страница 107 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

9. Вычислите объём водорода (н. у.), который может быть получен, если в соляной кислоте полностью растворить 10 г сплава, массовая доля алюминия в котором 90 %, меди — 4 %, магния — 6 %.

Дано:

$m(\text{сплава}) = 10 \text{ г}$
$\omega(Al) = 90 \% = 0.9$
$\omega(Cu) = 4 \% = 0.04$
$\omega(Mg) = 6 \% = 0.06$

Найти:

$V(H_2) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи сначала определим, какие из металлов в составе сплава будут реагировать с соляной кислотой (HCl). В соответствии с электрохимическим рядом активности металлов, с кислотами-неокислителями (такими как соляная) реагируют металлы, стоящие до водорода. Алюминий (Al) и магний (Mg) являются активными металлами и будут вытеснять водород из кислоты. Медь (Cu) стоит в ряду активности после водорода и с соляной кислотой не реагирует.

2. Рассчитаем массу каждого металла, который будет участвовать в реакции.
Масса алюминия:
$m(Al) = m(\text{сплава}) \cdot \omega(Al) = 10 \text{ г} \cdot 0.90 = 9 \text{ г}$
Масса магния:
$m(Mg) = m(\text{сплава}) \cdot \omega(Mg) = 10 \text{ г} \cdot 0.06 = 0.6 \text{ г}$

3. Составим уравнения химических реакций для алюминия и магния с соляной кислотой:
$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$
$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$

4. Вычислим количество вещества (в молях) для алюминия и магния. Для этого нам понадобятся их молярные массы: $M(Al) \approx 27 \text{ г/моль}$, $M(Mg) \approx 24 \text{ г/моль}$.
$n(Al) = \frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{9 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = \frac{1}{3} \text{ моль} \approx 0.333 \text{ моль}$
$n(Mg) = \frac{m(Mg)}{M(Mg)} = \frac{0.6 \text{ г}}{24 \text{ г/моль}} = 0.025 \text{ моль}$

5. Используя уравнения реакций, определим количество вещества водорода, выделившегося в каждой из них.
Из реакции с алюминием, соотношение $n(Al) : n(H_2) = 2 : 3$. Следовательно:
$n_1(H_2) = \frac{3}{2} n(Al) = \frac{3}{2} \cdot \frac{1}{3} \text{ моль} = 0.5 \text{ моль}$
Из реакции с магнием, соотношение $n(Mg) : n(H_2) = 1 : 1$. Следовательно:
$n_2(H_2) = n(Mg) = 0.025 \text{ моль}$

6. Найдем общее количество вещества водорода, сложив количества, полученные в обеих реакциях:
$n_{общ}(H_2) = n_1(H_2) + n_2(H_2) = 0.5 \text{ моль} + 0.025 \text{ моль} = 0.525 \text{ моль}$

7. Рассчитаем объем водорода при нормальных условиях (н.у.). При н.у. молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.
$V(H_2) = n_{общ}(H_2) \cdot V_m = 0.525 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 11.76 \text{ л}$

Ответ: объём водорода, который может быть получен, составляет 11,76 л.

1. С раствором серной кислоты не будут взаимодействовать металлы

1) $Co$

2) $Au$

3) $Zn$

4) $Hg$

Решение

Взаимодействие металлов с раствором серной кислоты ($H_2SO_4$) зависит от положения металла в электрохимическом ряду активности (ряду напряжений).

Согласно правилу, металлы, расположенные в этом ряду левее водорода (H), способны вытеснять его из растворов кислот-неокислителей (каким и является разбавленная серная кислота). Металлы, стоящие правее водорода, с такими кислотами не реагируют.

Рассмотрим положение предложенных в задании металлов в ряду активности:
... Zn ... Co ... H ... Hg ... Au

Исходя из этого:

• Co (кобальт) и Zn (цинк) стоят левее водорода, а значит, будут реагировать с раствором серной кислоты.
  $Co + H_2SO_4 \rightarrow CoSO_4 + H_2\uparrow$
  $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$
• Au (золото) и Hg (ртуть) стоят правее водорода. Эти металлы не способны вытеснить водород из раствора серной кислоты и, следовательно, не будут с ней взаимодействовать.

Таким образом, правильными ответами являются и 2 (Au), и 4 (Hg). В тестовых заданиях, предполагающих один верный ответ, часто нужно выбрать наиболее яркий или классический пример. Золото (Au) — это благородный металл, известный своей крайне низкой химической активностью, и является самым инертным из представленных вариантов. Поэтому в данном случае наиболее вероятным правильным ответом является золото.

Ответ: 2

2. Из раствора сульфата железа(II) железо может быть вытеснено

1) медью

2) алюминием

3) серебром

4) никелем

Решение

Для решения этой задачи необходимо использовать электрохимический ряд напряжений металлов. Согласно этому ряду, более активный металл (расположенный левее) способен вытеснять менее активный металл (расположенный правее) из растворов его солей.

Вопрос заключается в том, какой из предложенных металлов может вытеснить железо ($Fe$) из раствора сульфата железа(II) ($FeSO_4$). Это значит, что нам нужно найти металл, который в ряду напряжений стоит левее железа.

Фрагмент ряда напряжений металлов, включающий все рассматриваемые элементы:
... Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H₂), Cu, Hg, Ag, Pt, Au ...

Рассмотрим каждый из предложенных вариантов:

1) медью
Медь ($Cu$) находится в ряду напряжений правее железа ($Fe$). Это означает, что медь — менее активный металл, чем железо, и не может вытеснить его из раствора соли. Реакция не пойдет.

2) алюминием
Алюминий ($Al$) находится в ряду напряжений левее железа ($Fe$). Это означает, что алюминий — более активный металл, чем железо. Следовательно, алюминий будет вытеснять железо из раствора его соли. Уравнение реакции:
$2Al + 3FeSO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3Fe\downarrow$

3) серебром
Серебро ($Ag$) находится в ряду напряжений значительно правее железа ($Fe$). Серебро — малоактивный металл и не способно вытеснить железо из раствора его соли. Реакция не пойдет.

4) никелем
Никель ($Ni$) находится в ряду напряжений правее железа ($Fe$). Хотя они и стоят рядом, никель все же менее активен, чем железо, и не сможет вытеснить его из раствора сульфата. Реакция не пойдет.

Таким образом, единственным металлом из списка, который является более активным, чем железо, и может вытеснить его из раствора сульфата железа(II), является алюминий.

Ответ: 2) алюминием.

3. Разбавленная серная кислота взаимодействует с каждым из двух металлов

1) магний и медь

2) железо и серебро

3) алюминий и хром

4) ртуть и серебро

Решение:

Разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$) взаимодействует с металлами, которые находятся в электрохимическом ряду напряжений металлов до водорода (H). Металлы, стоящие после водорода, не вытесняют его из разбавленных кислот (кроме азотной любой концентрации и концентрированной серной) и, следовательно, не реагируют с ними. Проанализируем каждый предложенный вариант.

1) магний и медь

Магний ($Mg$) расположен в ряду напряжений до водорода, поэтому он реагирует с разбавленной серной кислотой: $Mg + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$.
Медь ($Cu$) расположена после водорода и не реагирует с разбавленной серной кислотой. Так как реагирует только один металл из двух, этот вариант не подходит.

Ответ: Неверно.

2) железо и серебро

Железо ($Fe$) расположено до водорода и реагирует с разбавленной серной кислотой: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$.
Серебро ($Ag$) расположено после водорода и не реагирует с разбавленной серной кислотой. Этот вариант не подходит.

Ответ: Неверно.

3) алюминий и хром

Алюминий ($Al$) расположен до водорода и реагирует с разбавленной серной кислотой: $2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$.
Хром ($Cr$) также расположен до водорода и реагирует с разбавленной серной кислотой: $Cr + H_2SO_4 \rightarrow CrSO_4 + H_2\uparrow$.Поскольку оба металла взаимодействуют с кислотой, этот вариант является правильным.

Ответ: Верно.

4) ртуть и серебро

Ртуть ($Hg$) и серебро ($Ag$) оба расположены после водорода в ряду напряжений, поэтому ни один из них не реагирует с разбавленной серной кислотой. Этот вариант не подходит.

Ответ: Неверно.

4. При взаимодействии соляной кислоты и 10 г смеси, состоящей из магниевых и медных стружек, выделилось 2,24 л водорода (н. у.). Масса непрореагировавшего металла равна

1) 2,4 г

2) 7,6 г

3) 4,8 г

4) 7,2 г

Дано:

$m(\text{смеси Mg и Cu}) = 10 \text{ г}$
$V(H_2) = 2,24 \text{ л (н.у.)}$

Найти:

$m(\text{непрореагировавшего металла}) - ?$

Решение:

В условии дана смесь двух металлов: магния (Mg) и меди (Cu). С соляной кислотой (HCl) будет реагировать только тот металл, который в электрохимическом ряду активности металлов стоит левее водорода.

Магний (Mg) — активный металл, он стоит в ряду активности до водорода и будет вытеснять его из соляной кислоты. Медь (Cu) — малоактивный металл, стоит в ряду активности после водорода и с соляной кислотой не реагирует.

Следовательно, непрореагировавший металл — это медь. Чтобы найти ее массу, нужно сначала определить массу прореагировавшего магния. Весь выделившийся водород образовался в результате реакции магния с кислотой.

Запишем уравнение реакции магния с соляной кислотой: $$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$$

Найдем количество вещества (в молях) выделившегося водорода. Поскольку газ находится при нормальных условиях (н.у.), используем молярный объем газов $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$: $$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,1 \text{ моль}$$

Согласно уравнению реакции, соотношение количеств вещества магния и водорода составляет $n(Mg) : n(H_2) = 1 : 1$. Следовательно, количество вещества магния, вступившего в реакцию, также равно 0,1 моль: $$n(Mg) = n(H_2) = 0,1 \text{ моль}$$

Теперь найдем массу прореагировавшего магния. Молярная масса магния $M(Mg) \approx 24 \text{ г/моль}$. $$m(Mg) = n(Mg) \times M(Mg) = 0,1 \text{ моль} \times 24 \text{ г/моль} = 2,4 \text{ г}$$

Общая масса смеси составляла 10 г. Масса непрореагировавшего металла (меди) равна разности между общей массой смеси и массой прореагировавшего магния: $$m(Cu) = m(\text{смеси}) - m(Mg) = 10 \text{ г} - 2,4 \text{ г} = 7,6 \text{ г}$$

Таким образом, масса непрореагировавшего металла (меди) равна 7,6 г.

Ответ: 7,6 г.