Страница 63 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

5-103. Смешали 102,46 мл 16%-ного раствора едкого натра (плотность раствора — $1,22 \text{ г/см}^3$) и 305,83 мл 5%-ного раствора азотной кислоты (плотность раствора — $1,03 \text{ г/см}^3$). Вычислите

а) массу образовавшейся соли;

б) массовую долю этой соли в растворе;

в) массовую долю реагента, оставшегося в растворе после реакции.

Дано:

$V_1(\text{р-ра NaOH}) = 102,46 \text{ мл}$
$w_1(\text{NaOH}) = 16\% = 0,16$
$\rho_1(\text{р-ра NaOH}) = 1,22 \text{ г/см}^3 = 1,22 \text{ г/мл}$
$V_2(\text{р-ра HNO}_3) = 305,83 \text{ мл}$
$w_2(\text{HNO}_3) = 5\% = 0,05$
$\rho_2(\text{р-ра HNO}_3) = 1,03 \text{ г/см}^3 = 1,03 \text{ г/мл}$

Перевод в СИ (для справки, расчеты будут вестись в г и мл):
$V_1 = 102,46 \times 10^{-6} \text{ м}^3$
$\rho_1 = 1220 \text{ кг/м}^3$
$V_2 = 305,83 \times 10^{-6} \text{ м}^3$
$\rho_2 = 1030 \text{ кг/м}^3$

Найти:

а) $m(\text{соли})$ - массу образовавшейся соли
б) $w(\text{соли})$ - массовую долю соли в растворе
в) $w(\text{изб. реагента})$ - массовую долю реагента, оставшегося в растворе

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации едкого натра (гидроксида натрия) азотной кислотой:

$NaOH + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

Реакция протекает в мольном соотношении 1:1, в результате образуется соль нитрат натрия ($NaNO_3$).

2. Найдем массы исходных растворов по формуле $m = V \cdot \rho$:

$m_1(\text{р-ра NaOH}) = 102,46 \text{ мл} \cdot 1,22 \text{ г/мл} = 125,0012 \text{ г}$

$m_2(\text{р-ра HNO}_3) = 305,83 \text{ мл} \cdot 1,03 \text{ г/мл} = 315,0049 \text{ г}$

3. Вычислим массы чистых веществ (реагентов) в растворах по формуле $m(\text{вещества}) = m(\text{раствора}) \cdot w$:

$m(\text{NaOH}) = 125,0012 \text{ г} \cdot 0,16 = 20,000192 \text{ г}$

$m(\text{HNO}_3) = 315,0049 \text{ г} \cdot 0,05 = 15,750245 \text{ г}$

4. Определим количество вещества (в молях) каждого реагента. Для этого рассчитаем их молярные массы:

$M(\text{NaOH}) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

$M(\text{HNO}_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества по формуле $n = m/M$:

$n(\text{NaOH}) = \frac{20,000192 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0,5000048 \text{ моль}$

$n(\text{HNO}_3) = \frac{15,750245 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} = 0,2500039 \text{ моль}$

5. Сравним количество молей реагентов. Так как по уравнению реакции они реагируют в соотношении 1:1, то реагент с меньшим количеством молей прореагирует полностью.

$n(\text{HNO}_3) < n(\text{NaOH})$ ($0,250 \text{ моль} < 0,500 \text{ моль}$), следовательно, азотная кислота является лимитирующим реагентом (в недостатке), а гидроксид натрия — в избытке. Дальнейшие расчеты продуктов реакции ведем по недостатку, то есть по $HNO_3$.

а) массу образовавшейся соли

Количество вещества образовавшейся соли (нитрата натрия $NaNO_3$) равно количеству вещества прореагировавшей азотной кислоты:

$n(\text{NaNO}_3) = n(\text{HNO}_3) = 0,2500039 \text{ моль}$

Рассчитаем молярную массу нитрата натрия:

$M(\text{NaNO}_3) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85 \text{ г/моль}$

Теперь найдем массу образовавшейся соли:

$m(\text{NaNO}_3) = n(\text{NaNO}_3) \cdot M(\text{NaNO}_3) = 0,2500039 \text{ моль} \cdot 85 \text{ г/моль} = 21,25033 \text{ г} \approx 21,25 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся соли $NaNO_3$ составляет 21,25 г.

б) массовую долю этой соли в растворе

Масса конечного раствора равна сумме масс исходных растворов:

$m(\text{конечн. р-ра}) = m_1(\text{р-ра NaOH}) + m_2(\text{р-ра HNO}_3)$

$m(\text{конечн. р-ра}) = 125,0012 \text{ г} + 315,0049 \text{ г} = 440,0061 \text{ г}$

Массовая доля соли в конечном растворе вычисляется по формуле:

$w(\text{NaNO}_3) = \frac{m(\text{NaNO}_3)}{m(\text{конечн. р-ра})} \cdot 100\%$

$w(\text{NaNO}_3) = \frac{21,25033 \text{ г}}{440,0061 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 4,83\%$

Ответ: массовая доля $NaNO_3$ в растворе составляет 4,83%.

в) массовую долю реагента, оставшегося в растворе после реакции

В избытке остался гидроксид натрия ($NaOH$). Найдем его количество, оставшееся после реакции.

Количество прореагировавшего $NaOH$ равно количеству $HNO_3$:

$n(\text{NaOH}_{\text{прореаг.}}) = n(\text{HNO}_3) = 0,2500039 \text{ моль}$

Количество оставшегося $NaOH$:

$n(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) = n(\text{NaOH}_{\text{исх.}}) - n(\text{NaOH}_{\text{прореаг.}})$

$n(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) = 0,5000048 \text{ моль} - 0,2500039 \text{ моль} = 0,2500009 \text{ моль}$

Найдем массу оставшегося $NaOH$:

$m(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) = n(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) \cdot M(\text{NaOH}) = 0,2500009 \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = 10,000036 \text{ г} \approx 10,0 \text{ г}$

Теперь вычислим массовую долю оставшегося $NaOH$ в конечном растворе:

$w(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) = \frac{m(\text{NaOH}_{\text{ост.}})}{m(\text{конечн. р-ра})} \cdot 100\%$

$w(\text{NaOH}_{\text{ост.}}) = \frac{10,000036 \text{ г}}{440,0061 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 2,27\%$

Ответ: массовая доля оставшегося $NaOH$ в растворе составляет 2,27%.

5-104. Смешали 126,13 мл 12%-ного раствора едкого кали (плотность раствора – $1,11 \text{ г/см}^3$) и 8,93 мл 40%-ного раствора плавиковой кислоты (плотность раствора – $1,12 \text{ г/см}^3$). Вычислите

а) массу образовавшейся соли;

б) массовую долю этой соли в растворе;

в) массовую долю реагента, оставшегося в растворе после реакции.

Дано:

Раствор едкого кали (KOH):
Объем $V_1 = 126,13$ мл
Массовая доля $\omega_1 = 12\% = 0,12$
Плотность $\rho_1 = 1,11$ г/см³

Раствор плавиковой кислоты (HF):
Объем $V_2 = 8,93$ мл
Массовая доля $\omega_2 = 40\% = 0,40$
Плотность $\rho_2 = 1,12$ г/см³

Найти:

а) $m(\text{соли})$ - массу образовавшейся соли
б) $\omega(\text{соли})$ - массовую долю этой соли в растворе
в) $\omega(\text{реагента в избытке})$ - массовую долю реагента, оставшегося в растворе

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации едкого кали (гидроксида калия) плавиковой (фтороводородной) кислотой. В результате реакции образуется соль фторид калия (KF) и вода:

$KOH + HF \rightarrow KF + H_2O$

2. Рассчитаем массы исходных растворов, используя формулу массы через плотность и объем $m = \rho \times V$:

Масса раствора KOH: $m_{\text{р-ра}}(KOH) = 126,13 \text{ мл} \times 1,11 \text{ г/мл} = 140,0043 \text{ г}$

Масса раствора HF: $m_{\text{р-ра}}(HF) = 8,93 \text{ мл} \times 1,12 \text{ г/мл} = 10,0016 \text{ г}$

3. Рассчитаем массы чистых веществ (реагентов) в растворах, используя формулу $m_{\text{вещества}} = m_{\text{раствора}} \times \omega_{\text{вещества}}$:

Масса KOH: $m(KOH) = 140,0043 \text{ г} \times 0,12 = 16,8005 \text{ г}$

Масса HF: $m(HF) = 10,0016 \text{ г} \times 0,40 = 4,00064 \text{ г}$

4. Найдем количество вещества (в молях) каждого реагента по формуле $n = m / M$. Для этого вычислим их молярные массы:

$M(KOH) = 39,1 + 16,0 + 1,0 = 56,1$ г/моль

$M(HF) = 1,0 + 19,0 = 20,0$ г/моль

Количество вещества KOH: $n(KOH) = \frac{16,8005 \text{ г}}{56,1 \text{ г/моль}} \approx 0,2995 \text{ моль}$

Количество вещества HF: $n(HF) = \frac{4,00064 \text{ г}}{20,0 \text{ г/моль}} \approx 0,2000 \text{ моль}$

5. Определим, какой из реагентов находится в недостатке. Согласно уравнению реакции, KOH и HF реагируют в мольном соотношении 1:1. Сравнивая количества веществ, видим, что $0,2000 \text{ моль} < 0,2995 \text{ моль}$. Следовательно, плавиковая кислота (HF) находится в недостатке и прореагирует полностью, а едкое кали (KOH) — в избытке. Все дальнейшие расчеты продуктов реакции ведем по реагенту в недостатке (HF).

а) массу образовавшейся соли

Из уравнения реакции следует, что количество вещества образовавшейся соли (KF) равно количеству вещества прореагировавшей кислоты (HF):

$n(KF) = n(HF) = 0,2000 \text{ моль}$

Рассчитаем молярную массу фторида калия (KF):

$M(KF) = 39,1 + 19,0 = 58,1$ г/моль

Теперь найдем массу образовавшейся соли:

$m(KF) = n(KF) \times M(KF) = 0,2000 \text{ моль} \times 58,1 \text{ г/моль} = 11,62 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся соли KF составляет 11,62 г.

б) массовую долю этой соли в растворе

Масса конечного раствора равна сумме масс исходных растворов, так как реакция протекает без выделения газов:

$m_{\text{конечн. р-ра}} = m_{\text{р-ра}}(KOH) + m_{\text{р-ра}}(HF) = 140,0043 \text{ г} + 10,0016 \text{ г} = 150,0059 \text{ г}$

Массовая доля соли KF в конечном растворе вычисляется как отношение массы соли к массе всего раствора:

$\omega(KF) = \frac{m(KF)}{m_{\text{конечн. р-ра}}} = \frac{11,62 \text{ г}}{150,0059 \text{ г}} \approx 0,0775$

Выразим массовую долю в процентах: $0,0775 \times 100\% = 7,75\%$

Ответ: массовая доля соли в растворе составляет 7,75%.

в) массовую долю реагента, оставшегося в растворе после реакции

Реагент в избытке — KOH. Рассчитаем, какое его количество прореагировало. Так как соотношение 1:1, то:

$n(KOH)_{\text{прореаг.}} = n(HF) = 0,2000 \text{ моль}$

Найдем количество вещества KOH, оставшегося в избытке:

$n(KOH)_{\text{ост.}} = n(KOH)_{\text{исх.}} - n(KOH)_{\text{прореаг.}} = 0,2995 \text{ моль} - 0,2000 \text{ моль} = 0,0995 \text{ моль}$

Найдем массу оставшегося KOH:

$m(KOH)_{\text{ост.}} = n(KOH)_{\text{ост.}} \times M(KOH) = 0,0995 \text{ моль} \times 56,1 \text{ г/моль} \approx 5,58 \text{ г}$

Рассчитаем массовую долю оставшегося KOH в конечном растворе:

$\omega(KOH)_{\text{ост.}} = \frac{m(KOH)_{\text{ост.}}}{m_{\text{конечн. р-ра}}} = \frac{5,58 \text{ г}}{150,0059 \text{ г}} \approx 0,0372$

Выразим массовую долю в процентах: $0,0372 \times 100\% = 3,72\%$

Ответ: массовая доля оставшегося реагента (едкого кали) составляет 3,72%.

5-105. В лаборатории потерялась этикетка от склянки, в которой находится некий черный порошок. Проводя исследование, лаборант обработал порцию данного вещества серной кислотой. При этом порошок растворился, а раствор приобрел синюю окраску. Предположите, какое вещество было в склянке. Напишите уравнение реакции, осуществленной лаборантом.

Решение

Чтобы определить неизвестное вещество, необходимо проанализировать данные эксперимента.

Из условия известно, что в лаборатории был найден черный порошок. При обработке этого порошка серной кислотой ($H_2SO_4$) он растворился, а полученный раствор приобрел синюю окраску.

Синяя или голубая окраска водного раствора является характерным признаком присутствия гидратированных ионов меди(II) ($Cu^{2+}$). Это позволяет сделать вывод, что в результате реакции образовалась соль меди(II). Так как в реакции участвовала серная кислота, этой солью является сульфат меди(II) ($CuSO_4$).

Следовательно, исходный черный порошок должен быть веществом, содержащим медь и способным реагировать с серной кислотой с образованием сульфата меди(II). Наиболее вероятным кандидатом является оксид меди(II) ($CuO$). Это соединение представляет собой порошок черного цвета и, будучи основным оксидом, легко реагирует с кислотами.

Уравнение химической реакции, осуществленной лаборантом, описывает взаимодействие оксида меди(II) с серной кислотой:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

В ходе этой реакции образуются сульфат меди(II), который придает раствору синий цвет, и вода.

Ответ: В склянке, скорее всего, находился оксид меди(II). Уравнение реакции: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$.

Вопросы и задания

5-106. Запишите формулы веществ в одну из колонок таблицы, в которой цифрами обозначены: 1 — основные оксиды, 2 — кислотные оксиды, 3 — амфотерные оксиды, 4 — сильные кислоты, 5 — кислоты средней силы, 6 — слабые кислоты, 7 — щелочи, 8 — нерастворимые в воде основания.

Формулы веществ:

а) $Fe(OH)_2$, $Al_2O_3$, $H_3PO_4$, $CaCO_3$, $HCl$, $CaO$, $H_2SiO_3$, $CO_2$, $NaOH$, $B_2O_3$;

б) $HNO_3$, $CrO_3$, $Cr_2O_3$, $HF$, $Ba(OH)_2$, $CrO$, $H_2S$, $Al(NO_3)_3$, $Cu(OH)_2$, $SO_3$;

в) $MnO_2$, $H_2SO_4$, $FeO$, $CsOH$, $HBr$, $Ca_3(PO_4)_2$, $H_2CO_3$, $WO_3$, $Fe(OH)_3$, $FeCl_3$;

г) $Na_2CO_3$, $MgO$, $RbOH$, $Sb_2O_5$, $ZnO$, $CH_3COOH$, $Pb(OH)_2$, $HI$, $CH_3COONa$.

Дайте названия этим веществам.

Решение

Для выполнения задания классифицируем все представленные вещества по соответствующим категориям, указанным в таблице, и дадим им названия. Также выделим вещества (соли), не относящиеся ни к одной из этих категорий.

1 — основные оксиды
Это оксиды металлов в низких степенях окисления, которым соответствуют основания. К этой категории относятся:
$CaO$ — оксид кальция
$CrO$ — оксид хрома(II)
$FeO$ — оксид железа(II)
$MgO$ — оксид магния

2 — кислотные оксиды
Это оксиды неметаллов и металлов в высоких степенях окисления, которым соответствуют кислоты. К этой категории относятся:
$CO_2$ — оксид углерода(IV)
$B_2O_3$ — оксид бора
$CrO_3$ — оксид хрома(VI)
$SO_3$ — оксид серы(VI)
$WO_3$ — оксид вольфрама(VI)
$Sb_2O_5$ — оксид сурьмы(V)

3 — амфотерные оксиды
Это оксиды металлов, проявляющие и основные, и кислотные свойства. К этой категории относятся:
$Al_2O_3$ — оксид алюминия
$Cr_2O_3$ — оксид хрома(III)
$MnO_2$ — оксид марганца(IV)
$ZnO$ — оксид цинка

4 — сильные кислоты
Это кислоты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах. К этой категории относятся:
$HCl$ — соляная кислота
$HNO_3$ — азотная кислота
$H_2SO_4$ — серная кислота
$HBr$ — бромоводородная кислота
$HI$ — иодоводородная кислота

5 — кислоты средней силы
К этой категории относятся:
$H_3PO_4$ — ортофосфорная кислота
$HF$ — фтороводородная (плавиковая) кислота

6 — слабые кислоты
Это кислоты, диссоциирующие в незначительной степени. К этой категории относятся:
$H_2SiO_3$ — кремниевая кислота
$H_2S$ — сероводородная кислота
$H_2CO_3$ — угольная кислота
$CH_3COOH$ — уксусная кислота

7 — щелочи
Это растворимые в воде основания. К этой категории относятся:
$NaOH$ — гидроксид натрия
$Ba(OH)_2$ — гидроксид бария
$CsOH$ — гидроксид цезия
$RbOH$ — гидроксид рубидия

8 — нерастворимые в воде основания
К этой категории относятся нерастворимые и амфотерные гидроксиды:
$Fe(OH)_2$ — гидроксид железа(II)
$Cu(OH)_2$ — гидроксид меди(II)
$Fe(OH)_3$ — гидроксид железа(III)
$Pb(OH)_2$ — гидроксид свинца(II)

Вещества, являющиеся солями и не входящие в таблицу:
$CaCO_3$ — карбонат кальция
$Al(NO_3)_3$ — нитрат алюминия
$Ca_3(PO_4)_2$ — фосфат кальция
$FeCl_3$ — хлорид железа(III)
$Na_2CO_3$ — карбонат натрия
$CH_3COONa$ — ацетат натрия

На основании проведенной классификации заполним таблицу.

Ответ: