Страница 67 - гдз по химии 8 класс задачник Кузнецова, Левкин

5-130. В трех пробирках без этикеток находятся растворы карбоната натрия, сульфата натрия, нитрата натрия. Как химическим путем распознать, какое вещество находится в каждой из пробирок?

Решение

Для того чтобы распознать, в какой из пробирок находится каждый из растворов — карбонат натрия ($Na_2CO_3$), сульфат натрия ($Na_2SO_4$) и нитрат натрия ($NaNO_3$) — необходимо провести качественные реакции на анионы: карбонат-ион ($CO_3^{2-}$), сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) и нитрат-ион ($NO_3^{-}$). Катион натрия ($Na^+$) является общим для всех трех солей, поэтому различать вещества будем по анионам.

План определения веществ может быть следующим:

1. Пронумеровать пробирки (например, №1, №2, №3), чтобы их не перепутать. Из каждой пробирки отобрать небольшие пробы в три новые чистые пробирки для проведения анализа.

2. В каждую из трех пробирок с пробами добавить несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$).

• В двух пробирках будет наблюдаться образование белого осадка. Это означает, что в этих пробирках находятся растворы карбоната натрия и сульфата натрия, так как карбонат бария и сульфат бария — нерастворимые соли.
  Уравнение реакции с карбонатом натрия:
  $Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$
  Уравнение реакции с сульфатом натрия:
  $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
• В одной из пробирок видимых изменений не произойдет. В этой пробирке находится раствор нитрата натрия ($NaNO_3$), поскольку нитрат бария ($Ba(NO_3)_2$) хорошо растворим в воде. Таким образом, вещество в этой пробирке идентифицировано.

3. Теперь необходимо различить две пробирки, в которых образовался белый осадок. Для этого к осадкам в этих двух пробирках добавим раствор сильной кислоты, например, соляной кислоты ($HCl$).

• В той пробирке, где осадок растворится, сопровождаясь выделением пузырьков газа (шипением), изначально находился раствор карбоната натрия. Осадок карбоната бария ($BaCO_3$) вступает в реакцию с кислотой, образуя растворимую соль, воду и углекислый газ ($CO_2$).
  Уравнение реакции:
  $BaCO_3\downarrow + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
• В той пробирке, где белый осадок не растворится при добавлении кислоты, изначально находился раствор сульфата натрия. Осадок сульфата бария ($BaSO_4$) является кислотоустойчивым и не реагирует с сильными кислотами.

Таким образом, все три вещества можно однозначно определить.

Сводная таблица результатов эксперимента:

Ответ:

Чтобы распознать вещества, следует в отобранные пробы из каждой пробирки прилить раствор хлорида бария ($BaCl_2$). В пробирке с нитратом натрия реакция не пойдет. В пробирках с карбонатом натрия и сульфатом натрия образуются белые осадки. Для их различения к полученным осадкам нужно добавить сильную кислоту (например, $HCl$). Осадок, который растворится с выделением газа, — это карбонат бария (исходное вещество — карбонат натрия). Осадок, который не растворится, — это сульфат бария (исходное вещество — сульфат натрия).

5-131. Предложите способ получения

а) карбоната натрия из гидрокарбоната натрия;

б) гидрокарбоната натрия из карбоната натрия;

в) карбоната натрия из гидроксида натрия;

г) гидрокарбоната натрия из гидроксида натрия.

а) карбоната натрия из гидрокарбоната натрия

Для получения карбоната натрия ($Na_2CO_3$) из гидрокарбоната натрия ($NaHCO_3$) необходимо провести термическое разложение последнего. При нагревании (температура выше 100°C) гидрокарбонат натрия разлагается на карбонат натрия, воду и углекислый газ.

Уравнение реакции:

$2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Альтернативным способом является реакция гидрокарбоната натрия с сильным основанием, например, с гидроксидом натрия ($NaOH$):

$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Ответ: Нагреть гидрокарбонат натрия или добавить к его раствору раствор гидроксида натрия.

б) гидрокарбоната натрия из карбоната натрия

Чтобы получить гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) из карбоната натрия ($Na_2CO_3$), необходимо пропустить углекислый газ ($CO_2$) через водный раствор карбоната натрия. В результате реакции образуется кислая соль — гидрокарбонат натрия. Поскольку он менее растворим в воде, чем карбонат натрия, при достаточной концентрации исходного раствора он выпадает в осадок.

Уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3 \downarrow$

Ответ: Пропустить углекислый газ через водный раствор карбоната натрия.

в) карбоната натрия из гидроксида натрия

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) образуется при реакции гидроксида натрия ($NaOH$) с углекислым газом ($CO_2$). Для получения средней соли (карбоната) необходимо, чтобы реагенты находились в молярном соотношении 2:1 ($NaOH$ : $CO_2$). Это достигается использованием избытка щелочи.

Уравнение реакции:

$2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Ответ: Пропустить углекислый газ через раствор гидроксида натрия, соблюдая мольное соотношение $NaOH:CO_2$ как 2:1 (т.е. при избытке щелочи).

г) гидрокарбоната натрия из гидроксида натрия

Для получения кислой соли — гидрокарбоната натрия ($NaHCO_3$) — из гидроксида натрия ($NaOH$), необходимо провести реакцию с избытком углекислого газа ($CO_2$).

Суммарное уравнение реакции при избытке углекислого газа:

$NaOH + CO_2 (изб.) \rightarrow NaHCO_3$

Этот процесс можно рассматривать как двухстадийный. Сначала образуется карбонат натрия, который затем, при дальнейшем пропускании $CO_2$, вступает в реакцию с ним и водой, переходя в гидрокарбонат:

Стадия 1: $2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Стадия 2: $Na_2CO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow 2NaHCO_3$

Ответ: Пропустить избыток углекислого газа через раствор гидроксида натрия.

5-132. Предложите способ получения:

а) сульфата натрия ($Na_2SO_4$) из гидросульфата натрия ($NaHSO_4$);

б) гидросульфата натрия ($NaHSO_4$) из сульфата натрия ($Na_2SO_4$);

в) сульфата натрия ($Na_2SO_4$) из серной кислоты ($H_2SO_4$);

г) гидросульфата натрия ($NaHSO_4$) из серной кислоты ($H_2SO_4$).

а) Для того чтобы получить сульфат натрия ($Na_2SO_4$) из гидросульфата натрия ($NaHSO_4$), необходимо провести реакцию нейтрализации кислой соли. Это достигается добавлением к гидросульфату натрия эквивалентного количества щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). В результате реакции образуется средняя соль (сульфат натрия) и вода.
Уравнение реакции:
$NaHSO_4 + NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$

Ответ: Необходимо добавить к гидросульфату натрия гидроксид натрия.

б) Для получения гидросульфата натрия ($NaHSO_4$) из сульфата натрия ($Na_2SO_4$) необходимо к раствору или твердому сульфату натрия добавить концентрированную серную кислоту ($H_2SO_4$). Реакция протекает при нагревании. В результате образуется кислая соль.
Уравнение реакции:
$Na_2SO_4 + H_2SO_4 \xrightarrow{t} 2NaHSO_4$

Ответ: Необходимо добавить к сульфату натрия концентрированную серную кислоту и нагреть смесь.

в) Сульфат натрия ($Na_2SO_4$) является средней солью, образованной серной кислотой. Его можно получить путем полной нейтрализации серной кислоты ($H_2SO_4$) основанием, содержащим натрий. Чаще всего для этого используют гидроксид натрия ($NaOH$). Для получения средней соли реагенты необходимо взять в мольном соотношении 1:2 (кислота:щелочь).
Уравнение реакции:
$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
Также возможна реакция с оксидом натрия ($Na_2O$) или солью слабой кислоты, например, карбонатом натрия ($Na_2CO_3$):
$H_2SO_4 + Na_2O \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$
$H_2SO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Провести реакцию полной нейтрализации серной кислоты гидроксидом натрия (в мольном соотношении 1:2).

г) Гидросульфат натрия ($NaHSO_4$) является кислой солью. Его получают при неполной нейтрализации серной кислоты ($H_2SO_4$) или при взаимодействии кислоты с основанием в эквимолярном соотношении (1:1). Также можно взять избыток кислоты.
Уравнение реакции c гидроксидом натрия ($NaOH$):
$H_2SO_4 (изб.) + NaOH \rightarrow NaHSO_4 + H_2O$
Другим способом является реакция концентрированной серной кислоты с хлоридом натрия при небольшом нагревании:
$H_2SO_4 (конц.) + NaCl (тв.) \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HCl\uparrow$

Ответ: Провести реакцию серной кислоты с гидроксидом натрия в мольном соотношении 1:1.

5-133. Вычислите массу меди, которую можно получить при взаимодействии 5,4 г алюминия с раствором хлорида меди(II).

Дано:

$m(Al) = 5,4 \text{ г}$

Раствор $CuCl_2$

Найти:

$m(Cu) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции взаимодействия алюминия с раствором хлорида меди(II). Алюминий, как более активный металл, стоящий в ряду активности левее меди, вытесняет медь из её соли:

$2Al + 3CuCl_2 \rightarrow 2AlCl_3 + 3Cu$

2. Рассчитаем количество вещества (число молей) алюминия, вступившего в реакцию. Молярная масса алюминия $M(Al)$ составляет 27 г/моль.

$n(Al) = \frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{5,4 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества меди, которое образуется в результате реакции. Согласно стехиометрическим коэффициентам, из 2 моль алюминия ($Al$) образуется 3 моль меди ($Cu$).

Составим пропорцию на основе соотношения молей:

$\frac{n(Al)}{2} = \frac{n(Cu)}{3}$

Выразим и найдем количество вещества меди:

$n(Cu) = \frac{3 \cdot n(Al)}{2} = \frac{3 \cdot 0,2 \text{ моль}}{2} = 0,3 \text{ моль}$

4. Зная количество вещества меди, вычислим её массу. Молярная масса меди $M(Cu)$ составляет примерно 64 г/моль.

$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = 0,3 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 19,2 \text{ г}$

Ответ: масса меди, которую можно получить при взаимодействии 5,4 г алюминия с раствором хлорида меди(II), составляет 19,2 г.

5-134. Вычислите массу цинка, которая потребуется для восстановления 16 г меди из раствора сульфата меди. Вычислите массу сульфата меди, который потребуется для реакции.

Дано:

масса восстановленной меди $m(\text{Cu}) = 16 \text{ г}$

Найти:

массу цинка $m(\text{Zn}) - ?$

массу сульфата меди $m(\text{CuSO}_4) - ?$

Решение:

Цинк, как более активный металл, вытесняет медь из раствора её соли (сульфата меди). Запишем уравнение химической реакции:

$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$

Из уравнения реакции видно, что все вещества реагируют и образуются в мольном соотношении 1:1:1:1.

Для проведения расчетов нам понадобятся молярные массы веществ. Используем округленные значения относительных атомных масс:

Молярная масса меди: $M(\text{Cu}) \approx 64 \text{ г/моль}$.

Молярная масса цинка: $M(\text{Zn}) \approx 65 \text{ г/моль}$.

Молярная масса сульфата меди: $M(\text{CuSO}_4) = M(\text{Cu}) + M(\text{S}) + 4 \cdot M(\text{O}) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$.

Вычислим количество вещества (в молях) меди, которая выделилась в ходе реакции:

$n(\text{Cu}) = \frac{m(\text{Cu})}{M(\text{Cu})} = \frac{16 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} = 0.25 \text{ моль}$

Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции, количество вещества цинка и сульфата меди, вступивших в реакцию, равно количеству вещества образовавшейся меди:

$n(\text{Zn}) = n(\text{Cu}) = 0.25 \text{ моль}$

$n(\text{CuSO}_4) = n(\text{Cu}) = 0.25 \text{ моль}$

Теперь можно рассчитать массу цинка, которая потребуется для реакции:

$m(\text{Zn}) = n(\text{Zn}) \cdot M(\text{Zn}) = 0.25 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 16.25 \text{ г}$

И массу сульфата меди, который потребуется для реакции:

$m(\text{CuSO}_4) = n(\text{CuSO}_4) \cdot M(\text{CuSO}_4) = 0.25 \text{ моль} \cdot 160 \text{ г/моль} = 40 \text{ г}$

Ответ: для восстановления 16 г меди потребуется 16,25 г цинка; масса сульфата меди, который потребуется для реакции, составляет 40 г.

5-135. Вычислите массу осадка, образовавшегося при взаимодействии двух растворов, один из которых содержит 21,2 г карбоната натрия, а второй — хлорида кальция в стехиометрическом соотношении.

Дано:

$m(Na_2CO_3) = 21,2 \text{ г}$

Реагенты ($Na_2CO_3$ и $CaCl_2$) находятся в стехиометрическом соотношении.

Найти:

$m(\text{осадка}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции между карбонатом натрия и хлоридом кальция. Это реакция обмена, в результате которой образуется нерастворимый карбонат кальция ($CaCO_3$), выпадающий в осадок, и растворимый хлорид натрия ($NaCl$).

$Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) карбоната натрия, масса которого дана в условии. Для этого сначала определим молярную массу $Na_2CO_3$.

$M(Na_2CO_3) = 2 \cdot Ar(Na) + Ar(C) + 3 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 106 \text{ г/моль}$

Теперь найдем количество вещества $n(Na_2CO_3)$:

$n(Na_2CO_3) = \frac{m(Na_2CO_3)}{M(Na_2CO_3)} = \frac{21,2 \text{ г}}{106 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества образовавшегося осадка — карбоната кальция ($CaCO_3$). Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении, соотношение количеств $Na_2CO_3$ и $CaCO_3$ составляет 1:1.

$\frac{n(Na_2CO_3)}{1} = \frac{n(CaCO_3)}{1}$

Следовательно, количество вещества осадка равно количеству вещества карбоната натрия:

$n(CaCO_3) = n(Na_2CO_3) = 0,2 \text{ моль}$

Условие о том, что реагенты взяты в стехиометрическом соотношении, подтверждает, что весь карбонат натрия прореагировал, и для расчета можно использовать его количество.

4. Рассчитаем массу осадка ($CaCO_3$), зная его количество вещества. Сначала найдем молярную массу $CaCO_3$.

$M(CaCO_3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3 \cdot Ar(O) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 100 \text{ г/моль}$

Теперь вычислим массу осадка:

$m(CaCO_3) = n(CaCO_3) \cdot M(CaCO_3) = 0,2 \text{ моль} \cdot 100 \text{ г/моль} = 20 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшегося осадка составляет 20 г.

5-136. Вычислите массу хлорида натрия, которая потребуется для того, чтобы при взаимодействии с 170 г 5%-ного раствора нитрата серебра получился осадок хлорида серебра. Вычислите массу этого осадка.

Дано:

Найти:

$m(NaCl) - ?$

$m(AgCl) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции между хлоридом натрия ($NaCl$) и нитратом серебра ($AgNO_3$):

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

Реакция является реакцией ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый в воде белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

2. Рассчитаем массу чистого нитрата серебра, содержащегося в 170 г 5%-ного раствора, по формуле массовой доли:

$m(AgNO_3) = m_{р-ра}(AgNO_3) \times \omega(AgNO_3)$

$m(AgNO_3) = 170 \, \text{г} \times 0.05 = 8.5 \, \text{г}$

3. Вычислим молярные массы веществ, необходимых для расчетов. Используем округленные значения атомных масс: $Ar(Na)=23$, $Ar(Cl)=35.5$, $Ar(Ag)=108$, $Ar(N)=14$, $Ar(O)=16$.

$M(AgNO_3) = 108 + 14 + 3 \times 16 = 170 \, \text{г/моль}$

$M(NaCl) = 23 + 35.5 = 58.5 \, \text{г/моль}$

$M(AgCl) = 108 + 35.5 = 143.5 \, \text{г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число молей) нитрата серебра, вступившего в реакцию:

$n(AgNO_3) = \frac{m(AgNO_3)}{M(AgNO_3)} = \frac{8.5 \, \text{г}}{170 \, \text{г/моль}} = 0.05 \, \text{моль}$

5. По уравнению реакции стехиометрические коэффициенты перед всеми участниками реакции равны 1. Следовательно, их количества вещества соотносятся как 1:1:1:

$n(NaCl) = n(AgNO_3) = 0.05 \, \text{моль}$

$n(AgCl) = n(AgNO_3) = 0.05 \, \text{моль}$

Теперь, имея все необходимые данные, можем ответить на вопросы задачи.

Вычислите массу хлорида натрия, которая потребуется

Массу хлорида натрия найдем, умножив его количество вещества на молярную массу:

$m(NaCl) = n(NaCl) \times M(NaCl)$

$m(NaCl) = 0.05 \, \text{моль} \times 58.5 \, \text{г/моль} = 2.925 \, \text{г}$

Ответ: для реакции потребуется 2.925 г хлорида натрия.

Вычислите массу этого осадка

Аналогично рассчитаем массу образовавшегося осадка хлорида серебра:

$m(AgCl) = n(AgCl) \times M(AgCl)$

$m(AgCl) = 0.05 \, \text{моль} \times 143.5 \, \text{г/моль} = 7.175 \, \text{г}$

Ответ: масса осадка хлорида серебра составляет 7.175 г.

5-137. Вычислите массу осадка, который образуется при взаимодействии двух растворов, причем первый содержит 35,5 г сульфата натрия, а второй — нитрат бария в стехиометрическом соотношении.

Дано:

$m(Na_2SO_4) = 35,5 \text{ г}$

Реагенты (сульфат натрия и нитрат бария) находятся в стехиометрическом соотношении.

Найти:

$m(\text{осадка}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции взаимодействия растворов сульфата натрия ($Na_2SO_4$) и нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$). В результате реакции обмена образуется нерастворимое в воде вещество — сульфат бария ($BaSO_4$), которое выпадает в виде осадка.

$Na_2SO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaNO_3$

2. Вычислим молярную массу сульфата натрия ($Na_2SO_4$), используя относительные атомные массы элементов из Периодической системы Д.И. Менделеева (Na ≈ 23, S ≈ 32, O ≈ 16).

$M(Na_2SO_4) = 2 \cdot A_r(Na) + A_r(S) + 4 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 23 + 32 + 4 \cdot 16 = 46 + 32 + 64 = 142 \text{ г/моль}$

3. Рассчитаем количество вещества сульфата натрия, содержащегося в первом растворе, по формуле $n = m/M$.

$n(Na_2SO_4) = \frac{m(Na_2SO_4)}{M(Na_2SO_4)} = \frac{35,5 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0,25 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, из 1 моль сульфата натрия образуется 1 моль сульфата бария. Следовательно, их количества веществ соотносятся как 1:1. Поскольку по условию задачи реагенты взяты в стехиометрическом соотношении, они прореагируют полностью. Таким образом, количество вещества образовавшегося осадка ($BaSO_4$) равно количеству вещества исходного сульфата натрия.

$n(BaSO_4) = n(Na_2SO_4) = 0,25 \text{ моль}$

5. Вычислим молярную массу осадка — сульфата бария ($BaSO_4$), используя относительные атомные массы (Ba ≈ 137, S ≈ 32, O ≈ 16).

$M(BaSO_4) = A_r(Ba) + A_r(S) + 4 \cdot A_r(O) = 137 + 32 + 4 \cdot 16 = 137 + 32 + 64 = 233 \text{ г/моль}$

6. Рассчитаем массу осадка сульфата бария по формуле $m = n \cdot M$.

$m(BaSO_4) = n(BaSO_4) \cdot M(BaSO_4) = 0,25 \text{ моль} \cdot 233 \text{ г/моль} = 58,25 \text{ г}$

Ответ: масса осадка, который образуется при взаимодействии двух растворов, составляет 58,25 г.

5-138. К 49 г раствора серной кислоты добавили хлорид бария в стехиометрическом соотношении. В результате реакции образовалось 23,3 г соли. Вычислите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 49$ г

$m(BaSO_4) = 23,3$ г

Перевод в СИ:

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 0,049$ кг

$m(BaSO_4) = 0,0233$ кг

Найти:

$\omega(H_2SO_4)$ - ?

Решение:

Запишем уравнение реакции взаимодействия серной кислоты ($H_2SO_4$) и хлорида бария ($BaCl_2$). В результате реакции обмена образуется нерастворимая соль сульфат бария ($BaSO_4$), которая выпадает в осадок, и соляная кислота ($HCl$).

$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

В условии задачи указано, что в результате реакции образовалось 23,3 г соли. Эта соль - сульфат бария ($BaSO_4$).

Рассчитаем молярные массы серной кислоты и сульфата бария, используя округленные значения атомных масс элементов:

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98$ г/моль

$M(BaSO_4) = Ar(Ba) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O) = 137 + 32 + 4 \cdot 16 = 233$ г/моль

Найдем количество вещества (число моль) образовавшегося сульфата бария, используя формулу $n = \frac{m}{M}$:

$n(BaSO_4) = \frac{m(BaSO_4)}{M(BaSO_4)} = \frac{23,3 \text{ г}}{233 \text{ г/моль}} = 0,1$ моль

Согласно уравнению реакции, серная кислота и сульфат бария находятся в стехиометрическом соотношении 1:1. Это означает, что количество вещества прореагировавшей серной кислоты равно количеству вещества образовавшегося сульфата бария.

$n(H_2SO_4) = n(BaSO_4) = 0,1$ моль

Теперь вычислим массу чистой серной кислоты, которая содержалась в исходном растворе, по формуле $m = n \cdot M$:

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 0,1 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 9,8$ г

Наконец, рассчитаем массовую долю ($\omega$) серной кислоты в исходном растворе. Массовая доля вещества в растворе – это отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора, выраженное в долях единицы или процентах.

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m_{р-ра}(H_2SO_4)}$

$\omega(H_2SO_4) = \frac{9,8 \text{ г}}{49 \text{ г}} = 0,2$

Для выражения в процентах, умножим результат на 100%:

$\omega(H_2SO_4) = 0,2 \cdot 100\% = 20\%$

Ответ: массовая доля серной кислоты в исходном растворе составляет 20%.

5-139. Смешали 662 г 25%-ного раствора нитрата свинца(II) и 150 г 50%-ного раствора иодида натрия. Вычислите

а) массу образовавшегося осадка;

б) массу образовавшейся соли в растворе;

в) массовую долю соли в растворе;

г) массу реагента, оставшегося после реакции;

д) его массовую долю в растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(Pb(NO_3)_2) = 662 \text{ г}$

$\omega(Pb(NO_3)_2) = 25\% = 0.25$

$m_{р-ра}(NaI) = 150 \text{ г}$

$\omega(NaI) = 50\% = 0.50$

Найти:

а) $m_{осадка}$ - массу образовавшегося осадка

б) $m_{соли}$ - массу образовавшейся соли в растворе

в) $\omega_{соли}$ - массовую долю соли в растворе

г) $m_{реагента}$ - массу реагента, оставшегося после реакции

д) $\omega_{реагента}$ - его массовую долю в растворе

Решение:

1. Запишем уравнение реакции между нитратом свинца(II) и иодидом натрия:

$Pb(NO_3)_2 + 2NaI \rightarrow PbI_2\downarrow + 2NaNO_3$

Иодид свинца(II) ($PbI_2$) является нерастворимым веществом и выпадает в осадок.

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции:

$M(Pb(NO_3)_2) = 207 + 2 \times (14 + 3 \times 16) = 331 \text{ г/моль}$

$M(NaI) = 23 + 127 = 150 \text{ г/моль}$

$M(PbI_2) = 207 + 2 \times 127 = 461 \text{ г/моль}$

$M(NaNO_3) = 23 + 14 + 3 \times 16 = 85 \text{ г/моль}$

3. Вычислим массы чистых реагентов в исходных растворах:

$m(Pb(NO_3)_2) = m_{р-ра}(Pb(NO_3)_2) \times \omega(Pb(NO_3)_2) = 662 \text{ г} \times 0.25 = 165.5 \text{ г}$

$m(NaI) = m_{р-ра}(NaI) \times \omega(NaI) = 150 \text{ г} \times 0.50 = 75 \text{ г}$

4. Найдем количество вещества (в молях) каждого реагента:

$n(Pb(NO_3)_2) = \frac{m(Pb(NO_3)_2)}{M(Pb(NO_3)_2)} = \frac{165.5 \text{ г}}{331 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

$n(NaI) = \frac{m(NaI)}{M(NaI)} = \frac{75 \text{ г}}{150 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

5. Определим, какой из реагентов находится в недостатке (лимитирующий реагент). Согласно уравнению реакции, на 1 моль $Pb(NO_3)_2$ требуется 2 моль $NaI$.

Для реакции с 0.5 моль $Pb(NO_3)_2$ потребовалось бы $0.5 \times 2 = 1 \text{ моль}$ $NaI$.

Поскольку у нас есть только 0.5 моль $NaI$, иодид натрия является лимитирующим реагентом. Все дальнейшие расчеты будем вести по нему.

6. Рассчитаем количество вещества продуктов реакции и израсходованного избыточного реагента на основе количества лимитирующего реагента ($n(NaI) = 0.5 \text{ моль}$):

Количество $Pb(NO_3)_2$, вступившего в реакцию: $n_{реаг.}(Pb(NO_3)_2) = \frac{1}{2} n(NaI) = \frac{1}{2} \times 0.5 \text{ моль} = 0.25 \text{ моль}$

Количество образовавшегося осадка $PbI_2$: $n(PbI_2) = \frac{1}{2} n(NaI) = \frac{1}{2} \times 0.5 \text{ моль} = 0.25 \text{ моль}$

Количество образовавшейся соли $NaNO_3$: $n(NaNO_3) = n(NaI) = 0.5 \text{ моль}$

7. Теперь можем ответить на все вопросы задачи.

а) массу образовавшегося осадка

Масса осадка $PbI_2$ равна:

$m(PbI_2) = n(PbI_2) \times M(PbI_2) = 0.25 \text{ моль} \times 461 \text{ г/моль} = 115.25 \text{ г}$

Ответ: 115.25 г

б) массу образовавшейся соли в растворе

Масса образовавшейся растворимой соли нитрата натрия $NaNO_3$ равна:

$m(NaNO_3) = n(NaNO_3) \times M(NaNO_3) = 0.5 \text{ моль} \times 85 \text{ г/моль} = 42.5 \text{ г}$

Ответ: 42.5 г

г) массу реагента, оставшегося после реакции

Реагент, оставшийся в избытке, – это нитрат свинца(II) $Pb(NO_3)_2$.

Количество вещества оставшегося $Pb(NO_3)_2$:

$n_{ост.}(Pb(NO_3)_2) = n_{исх.}(Pb(NO_3)_2) - n_{реаг.}(Pb(NO_3)_2) = 0.5 \text{ моль} - 0.25 \text{ моль} = 0.25 \text{ моль}$

Масса оставшегося $Pb(NO_3)_2$:

$m_{ост.}(Pb(NO_3)_2) = n_{ост.}(Pb(NO_3)_2) \times M(Pb(NO_3)_2) = 0.25 \text{ моль} \times 331 \text{ г/моль} = 82.75 \text{ г}$

Ответ: 82.75 г

Для вычисления массовых долей (пункты в и д) найдем массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходных растворов за вычетом массы выпавшего осадка:

$m_{конечн. р-ра} = m_{р-ра}(Pb(NO_3)_2) + m_{р-ра}(NaI) - m(PbI_2) = 662 \text{ г} + 150 \text{ г} - 115.25 \text{ г} = 696.75 \text{ г}$

в) массовую долю соли в растворе

Массовая доля нитрата натрия $NaNO_3$ в конечном растворе:

$\omega(NaNO_3) = \frac{m(NaNO_3)}{m_{конечн. р-ра}} \times 100\% = \frac{42.5 \text{ г}}{696.75 \text{ г}} \times 100\% \approx 6.1\%$

Ответ: 6.1%

д) его массовую долю в растворе

Массовая доля оставшегося $Pb(NO_3)_2$ в конечном растворе:

$\omega_{ост.}(Pb(NO_3)_2) = \frac{m_{ост.}(Pb(NO_3)_2)}{m_{конечн. р-ра}} \times 100\% = \frac{82.75 \text{ г}}{696.75 \text{ г}} \times 100\% \approx 11.88\%$

Ответ: 11.88%

5-140. Смешали 170 г 50%-ного раствора нитрата серебра и 164 г 10%-ного раствора фосфата натрия. Вычислите

а) массу образовавшегося осадка;

б) массу образовавшейся соли в растворе;

в) ее массовую долю в растворе;

г) массу реагента, оставшегося после реакции;

д) его массовую долю в растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(AgNO_3) = 170 \text{ г}$

$\omega(AgNO_3) = 50\% = 0.5$

$m_{р-ра}(Na_3PO_4) = 164 \text{ г}$

$\omega(Na_3PO_4) = 10\% = 0.1$

Найти:

а) $m(\text{осадка}) - ?$

б) $m(\text{соли в р-ре}) - ?$

в) $\omega(\text{соли в р-ре}) - ?$

г) $m(\text{ост. реагента}) - ?$

д) $\omega(\text{ост. реагента}) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции между нитратом серебра и фосфатом натрия:

$3AgNO_3 + Na_3PO_4 \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3NaNO_3$

В ходе реакции образуется нерастворимый осадок фосфата серебра ($Ag_3PO_4$) и растворимая соль нитрат натрия ($NaNO_3$).

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в реакции:

$M(AgNO_3) = 108 + 14 + 3 \cdot 16 = 170 \text{ г/моль}$

$M(Na_3PO_4) = 3 \cdot 23 + 31 + 4 \cdot 16 = 164 \text{ г/моль}$

$M(Ag_3PO_4) = 3 \cdot 108 + 31 + 4 \cdot 16 = 419 \text{ г/моль}$

$M(NaNO_3) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85 \text{ г/моль}$

3. Найдем массы чистых реагентов в исходных растворах:

$m(AgNO_3) = m_{р-ра}(AgNO_3) \cdot \omega(AgNO_3) = 170 \text{ г} \cdot 0.5 = 85 \text{ г}$

$m(Na_3PO_4) = m_{р-ра}(Na_3PO_4) \cdot \omega(Na_3PO_4) = 164 \text{ г} \cdot 0.1 = 16.4 \text{ г}$

4. Определим количество вещества (моль) каждого реагента:

$n(AgNO_3) = \frac{m(AgNO_3)}{M(AgNO_3)} = \frac{85 \text{ г}}{170 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

$n(Na_3PO_4) = \frac{m(Na_3PO_4)}{M(Na_3PO_4)} = \frac{16.4 \text{ г}}{164 \text{ г/моль}} = 0.1 \text{ моль}$

5. Определим, какой из реагентов находится в недостатке. По уравнению реакции, на 3 моль $AgNO_3$ требуется 1 моль $Na_3PO_4$.

Проверим, сколько моль $AgNO_3$ потребуется для реакции с $0.1$ моль $Na_3PO_4$:

$n_{теор}(AgNO_3) = 3 \cdot n(Na_3PO_4) = 3 \cdot 0.1 \text{ моль} = 0.3 \text{ моль}$

Так как у нас есть $0.5$ моль $AgNO_3$, что больше, чем требуется ($0.3$ моль), нитрат серебра находится в избытке, а фосфат натрия — в недостатке. Дальнейшие расчеты ведем по веществу, находящемуся в недостатке ($Na_3PO_4$).

а) массу образовавшегося осадка

Осадок — это фосфат серебра ($Ag_3PO_4$). По уравнению реакции из 1 моль $Na_3PO_4$ образуется 1 моль $Ag_3PO_4$.

$n(Ag_3PO_4) = n(Na_3PO_4) = 0.1 \text{ моль}$

Масса осадка:

$m(Ag_3PO_4) = n(Ag_3PO_4) \cdot M(Ag_3PO_4) = 0.1 \text{ моль} \cdot 419 \text{ г/моль} = 41.9 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшегося осадка ($Ag_3PO_4$) равна 41,9 г.

б) массу образовавшейся соли в растворе

Образовавшаяся в растворе соль — это нитрат натрия ($NaNO_3$). По уравнению реакции из 1 моль $Na_3PO_4$ образуется 3 моль $NaNO_3$.

$n(NaNO_3) = 3 \cdot n(Na_3PO_4) = 3 \cdot 0.1 \text{ моль} = 0.3 \text{ моль}$

Масса соли:

$m(NaNO_3) = n(NaNO_3) \cdot M(NaNO_3) = 0.3 \text{ моль} \cdot 85 \text{ г/моль} = 25.5 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшейся соли ($NaNO_3$) в растворе равна 25,5 г.

в) ее массовую долю в растворе

Для расчета массовой доли нужно найти массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходных растворов за вычетом массы выпавшего осадка.

$m_{\text{конеч. р-ра}} = m_{р-ра}(AgNO_3) + m_{р-ра}(Na_3PO_4) - m(Ag_3PO_4 \downarrow)$

$m_{\text{конеч. р-ра}} = 170 \text{ г} + 164 \text{ г} - 41.9 \text{ г} = 292.1 \text{ г}$

Массовая доля нитрата натрия в конечном растворе:

$\omega(NaNO_3) = \frac{m(NaNO_3)}{m_{\text{конеч. р-ра}}} \cdot 100\% = \frac{25.5 \text{ г}}{292.1 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 8.73\%$

Ответ: массовая доля нитрата натрия в растворе составляет 8,73%.

г) массу реагента, оставшегося после реакции

Реагент, оставшийся после реакции (в избытке) — это нитрат серебра ($AgNO_3$).

Количество вещества $AgNO_3$, вступившего в реакцию:

$n_{\text{прореаг.}}(AgNO_3) = 3 \cdot n(Na_3PO_4) = 0.3 \text{ моль}$

Количество вещества $AgNO_3$, оставшегося в растворе:

$n_{\text{ост.}}(AgNO_3) = n_{\text{исх.}}(AgNO_3) - n_{\text{прореаг.}}(AgNO_3) = 0.5 \text{ моль} - 0.3 \text{ моль} = 0.2 \text{ моль}$

Масса оставшегося нитрата серебра:

$m_{\text{ост.}}(AgNO_3) = n_{\text{ост.}}(AgNO_3) \cdot M(AgNO_3) = 0.2 \text{ моль} \cdot 170 \text{ г/моль} = 34 \text{ г}$

Ответ: масса оставшегося реагента ($AgNO_3$) равна 34 г.

д) его массовую долю в растворе

Массовая доля оставшегося нитрата серебра в конечном растворе:

$\omega_{\text{ост.}}(AgNO_3) = \frac{m_{\text{ост.}}(AgNO_3)}{m_{\text{конеч. р-ра}}} \cdot 100\% = \frac{34 \text{ г}}{292.1 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 11.64\%$

Ответ: массовая доля оставшегося нитрата серебра в растворе составляет 11,64%.

5-141. По названиям веществ составьте их формулы и назовите класс, к которому они относятся: цианид аммония, манганат калия, перманганат стронция, хромат бария, дихромат натрия, метафосфат лития, медный купорос, ацетат меди(II), оксалат натрия.

цианид аммония

Цианид аммония состоит из катиона аммония $NH_4^+$ и аниона цианида $CN^-$. Так как заряды ионов равны по модулю (+1 и -1), формула вещества - $NH_4CN$. Это вещество является солью, образованной слабым основанием (гидроксидом аммония) и слабой кислотой (циановодородной).

Ответ: Формула - $NH_4CN$, класс - соль.

манганат калия

Манганат калия состоит из катиона калия $K^+$ и манганат-иона $MnO_4^{2-}$. Для компенсации заряда аниона (-2) требуется два катиона калия (+1). Формула вещества - $K_2MnO_4$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия) и слабой марганцовистой кислотой.

Ответ: Формула - $K_2MnO_4$, класс - соль.

перманганат стронция

Перманганат стронция состоит из катиона стронция $Sr^{2+}$ и перманганат-иона $MnO_4^-$. Для компенсации заряда катиона (+2) требуется два перманганат-иона (-1). Формула вещества - $Sr(MnO_4)_2$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом стронция) и сильной марганцевой кислотой.

Ответ: Формула - $Sr(MnO_4)_2$, класс - соль.

хромат бария

Хромат бария состоит из катиона бария $Ba^{2+}$ и хромат-иона $CrO_4^{2-}$. Заряды ионов равны по модулю, поэтому формула вещества - $BaCrO_4$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом бария) и слабой хромовой кислотой.

Ответ: Формула - $BaCrO_4$, класс - соль.

дихромат натрия

Дихромат натрия состоит из катиона натрия $Na^+$ и дихромат-иона $Cr_2O_7^{2-}$. Для компенсации заряда аниона (-2) требуется два катиона натрия (+1). Формула вещества - $Na_2Cr_2O_7$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом натрия) и сильной дихромовой кислотой.

Ответ: Формула - $Na_2Cr_2O_7$, класс - соль.

метафосфат лития

Метафосфат лития состоит из катиона лития $Li^+$ и метафосфат-иона $PO_3^-$. Заряды ионов равны по модулю, поэтому формула вещества - $LiPO_3$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом лития) и метафосфорной кислотой средней силы.

Ответ: Формула - $LiPO_3$, класс - соль.

медный купорос

Медный купорос - это тривиальное название кристаллогидрата сульфата меди(II). Он состоит из катиона меди(II) $Cu^{2+}$, сульфат-аниона $SO_4^{2-}$ и пяти молекул кристаллизационной воды. Формула вещества - $CuSO_4 \cdot 5H_2O$. Это вещество относится к классу кристаллогидратов солей.

Ответ: Формула - $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, класс - кристаллогидрат (соль).

ацетат меди(II)

Ацетат меди(II) состоит из катиона меди(II) $Cu^{2+}$ и ацетат-аниона $CH_3COO^-$. Для компенсации заряда катиона (+2) требуется два ацетат-иона (-1). Формула вещества - $(CH_3COO)_2Cu$. Это соль, образованная слабым основанием (гидроксидом меди(II)) и слабой карбоновой (уксусной) кислотой.

Ответ: Формула - $(CH_3COO)_2Cu$, класс - соль.

оксалат натрия

Оксалат натрия состоит из катиона натрия $Na^+$ и оксалат-аниона $C_2O_4^{2-}$. Для компенсации заряда аниона (-2) требуется два катиона натрия (+1). Формула вещества - $Na_2C_2O_4$. Это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом натрия) и слабой карбоновой (щавелевой) кислотой.

Ответ: Формула - $Na_2C_2O_4$, класс - соль.

5-142. Узнайте, какие вещества скрываются под перечисленными ниже бытовыми, техническими или историческими названиями веществ:

а) мел
известняк
мрамор
кальцит
купоросное масло
глинозем
малахит

б) едкий натр
едкое кали
сулема
каломель
киноварь
кварц
чилийская селитра

в) хлорная известь
негашеная известь
гашеная известь
алебастр
гипс
бура
царская водка

г) ляпис
каустическая сода
кристаллическая сода
кальцинированная сода
глауберова соль
бертолетова соль
веселящий газ

В каждом случае укажите, к какому классу относится это вещество.

а) Названия мел, известняк, мрамор и кальцит соответствуют различным природным формам карбоната кальция ($CaCO_3$). Это вещество относится к классу средних солей.

Ответ: карбонат кальция ($CaCO_3$), соль.

Купоросное масло — это старинное название концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$). Относится к классу сильных кислот.

Ответ: серная кислота ($H_2SO_4$), кислота.

Глинозем — техническое название оксида алюминия ($Al_2O_3$). Относится к классу амфотерных оксидов.

Ответ: оксид алюминия ($Al_2O_3$), амфотерный оксид.

Малахит — минерал, основной карбонат меди(II) с формулой $Cu_2(OH)_2CO_3$ (или $(CuOH)_2CO_3$). Относится к классу основных солей.

Ответ: гидроксокарбонат меди(II) ($Cu_2(OH)_2CO_3$), основная соль.

б) Едкий натр (также каустическая сода) — техническое название гидроксида натрия ($NaOH$). Относится к классу щелочей (сильных растворимых оснований).

Ответ: гидроксид натрия ($NaOH$), щелочь (основание).

Едкое кали — техническое название гидроксида калия ($KOH$). Относится к классу щелочей (сильных растворимых оснований).

Ответ: гидроксид калия ($KOH$), щелочь (основание).

Сулема — историческое название хлорида ртути(II) ($HgCl_2$). Относится к классу средних солей.

Ответ: хлорид ртути(II) ($HgCl_2$), соль.

Каломель — историческое название хлорида ртути(I) ($Hg_2Cl_2$). Относится к классу средних солей.

Ответ: хлорид ртути(I) ($Hg_2Cl_2$), соль.

Киноварь — минерал, сульфид ртути(II) ($HgS$). Относится к классу средних солей (сульфидов).

Ответ: сульфид ртути(II) ($HgS$), соль.

Кварц — минерал, являющийся одной из кристаллических модификаций диоксида кремния ($SiO_2$). Относится к классу кислотных оксидов.

Ответ: диоксид кремния ($SiO_2$), кислотный оксид.

Чилийская селитра — тривиальное название нитрата натрия ($NaNO_3$). Относится к классу средних солей.

Ответ: нитрат натрия ($NaNO_3$), соль.

в) Хлорная известь (хлорка) — вещество смешанного состава, основным компонентом которого является хлорид-гипохлорит кальция. Его состав можно условно выразить формулой $Ca(OCl)Cl$. Относится к классу смешанных солей.

Ответ: хлорид-гипохлорит кальция ($Ca(OCl)Cl$), смешанная соль.

Негашеная известь — техническое название оксида кальция ($CaO$). Относится к классу основных оксидов.

Ответ: оксид кальция ($CaO$), основный оксид.

Гашеная известь — техническое название гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$). Относится к классу оснований (является щелочью, хотя и малорастворимой).

Ответ: гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$), основание.

Алебастр (или жженый гипс) — техническое название полуводного сульфата кальция, или гемигидрата сульфата кальция, с формулой $CaSO_4 \cdot 0.5H_2O$ (или $(CaSO_4)_2 \cdot H_2O$). Относится к классу кристаллогидратов (солей).

Ответ: гемигидрат сульфата кальция ($CaSO_4 \cdot 0.5H_2O$), кристаллогидрат.

Гипс — минерал, дигидрат сульфата кальция ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$). Относится к классу кристаллогидратов (солей).

Ответ: дигидрат сульфата кальция ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$), кристаллогидрат.

Бура — тривиальное название декагидрата тетрабората натрия ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$). Относится к классу кристаллогидратов (солей).

Ответ: декагидрат тетрабората натрия ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$), кристаллогидрат.

Царская водка — смесь концентрированных азотной ($HNO_3$) и соляной ($HCl$) кислот, обычно в объемном соотношении 1:3. Это не индивидуальное вещество, а смесь.

Ответ: смесь азотной и соляной кислот ($1\text{ объем }HNO_3 + 3\text{ объема }HCl$), смесь кислот.

г) Ляпис (адский камень) — историческое название нитрата серебра(I) ($AgNO_3$). Относится к классу средних солей.

Ответ: нитрат серебра(I) ($AgNO_3$), соль.

Каустическая сода — то же, что и едкий натр, техническое название гидроксида натрия ($NaOH$). Относится к классу щелочей.

Ответ: гидроксид натрия ($NaOH$), щелочь (основание).

Кристаллическая сода — техническое название декагидрата карбоната натрия ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$). Относится к классу кристаллогидратов (солей).

Ответ: декагидрат карбоната натрия ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$), кристаллогидрат.

Кальцинированная сода — техническое название безводного карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Относится к классу средних солей.

Ответ: карбонат натрия ($Na_2CO_3$), соль.

Глауберова соль — историческое название декагидрата сульфата натрия ($Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$). Относится к классу кристаллогидратов (солей).

Ответ: декагидрат сульфата натрия ($Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$), кристаллогидрат.

Бертолетова соль — историческое название хлората калия ($KClO_3$). Относится к классу средних солей (соль хлорноватой кислоты $HClO_3$).

Ответ: хлорат калия ($KClO_3$), соль.

Веселящий газ — тривиальное название оксида азота(I) ($N_2O$). Относится к классу несолеобразующих оксидов.

Ответ: оксид азота(I) ($N_2O$), несолеобразующий оксид.