Номер C, страница 119 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. Творческое задание. Можно ли хранить в алюминиевой посуде пищевую соду? Ответ мотивируйте.

2. При стоматите применяют раствор калий-алюминиевых квасцов ($KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$). Определите, сколько атомов алюминия содержится в 200 г 0,5%-го раствора.

Ответ: $1,27 \cdot 10^{21}$ атомов Al.

3. При обработке 26 г смеси, состоящей из Al, Cu и Fe, раствором NaOH выделился газ объемом $13,44 \text{ л } H_2$ (н.у.). При обработке такой же смеси соляной кислотой выделяется $19,09 \text{ л } H_2$ (н.у.). Определите состав смеси.

Ответ:

$m(Al) = 10,8 \text{ г}$, $w(Al) = 41,5\%$;

$m(Cu) = 1,07 \text{ г}$, $w(Cu) = 4,1\%$; $m(Fe) = 14,13 \text{ г}$,

$w(Fe) = 54,3\%$.

1. Творческое задание.

Хранить пищевую соду (гидрокарбонат натрия, $NaHCO_3$) в алюминиевой посуде не рекомендуется, особенно в условиях повышенной влажности или при нагревании.

Мотивация:

1. Алюминий – химически активный металл. В обычных условиях он покрыт тонкой, но очень прочной оксидной пленкой ($Al_2O_3$), которая защищает его от дальнейшего окисления и коррозии. Эта пленка, как и сам алюминий, является амфотерной, то есть растворяется как в кислотах, так и в щелочах.

2. Пищевая сода при растворении в воде (даже в следовых количествах влаги из воздуха) создает слабощелочную среду из-за процесса гидролиза:

$HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$

Длительное воздействие этой слабощелочной среды постепенно разрушает защитную оксидную пленку алюминия.

3. Особенно активно процесс разрушения идет при нагревании, например, при кипячении раствора соды в алюминиевой кастрюле. При температуре выше 60°C гидрокарбонат натрия начинает разлагаться с образованием карбоната натрия ($Na_2CO_3$):

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

Карбонат натрия создает в растворе уже значительно более щелочную среду (pH ≈ 11), которая быстро растворяет оксидную пленку и вступает в реакцию с самим алюминием:

$Al_2O_3 + 2OH^- + 3H_2O \rightarrow 2[Al(OH)_4]^-$ (растворение пленки)

$2Al + 2OH^- + 6H_2O \rightarrow 2[Al(OH)_4]^- + 3H_2\uparrow$ (реакция с алюминием)

В результате происходит коррозия посуды, а в пищу попадают алюминаты — соединения алюминия, которые нежелательны для организма.

Ответ: Хранить пищевую соду в алюминиевой посуде нельзя. В присутствии влаги сода создает щелочную среду, которая разрушает защитную пленку на поверхности алюминия, приводя к коррозии посуды и загрязнению продуктов соединениями алюминия.

2. Дано:

$m_{р-ра} = 200$ г

$\omega(KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O) = 0,5\% = 0,005$

$N_A = 6,022 \cdot 10^{23}$ моль^-1

Найти:

$N(Al)$ - ?

Решение:

1. Найдем массу калий-алюминиевых квасцов в растворе:

$m_{квасцов} = m_{р-ра} \cdot \omega = 200 \text{ г} \cdot 0,005 = 1 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярную массу калий-алюминиевых квасцов $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$:

$M(KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O) = M(K) + M(Al) + 2 \cdot (M(S) + 4 \cdot M(O)) + 12 \cdot M(H_2O)$

$M \approx 39 + 27 + 2 \cdot (32 + 4 \cdot 16) + 12 \cdot (2 \cdot 1 + 16) = 39 + 27 + 192 + 216 = 474$ г/моль.

3. Найдем количество вещества (моль) квасцов:

$n(KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O) = \frac{m}{M} = \frac{1 \text{ г}}{474 \text{ г/моль}} \approx 0,0021097$ моль.

4. В одной формульной единице $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$ содержится один атом алюминия. Следовательно, количество вещества атомов алюминия равно количеству вещества квасцов:

$n(Al) = n(KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O) \approx 0,0021097$ моль.

5. Найдем число атомов алюминия, используя постоянную Авогадро:

$N(Al) = n(Al) \cdot N_A \approx 0,0021097 \text{ моль} \cdot 6,022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 1,2704 \cdot 10^{21}$ атомов.

Ответ: $1,27 \cdot 10^{21}$ атомов Al.

3. Дано:

$m_{смеси}(Al, Cu, Fe) = 26$ г

$V_1(H_2) = 13,44$ л (н.у.) - при реакции с NaOH

$V_2(H_2) = 19,09$ л (н.у.) - при реакции с HCl

$V_m = 22,4$ л/моль (молярный объем газа при н.у.)

Найти:

$m(Al), m(Cu), m(Fe)$ - ?

$\omega(Al), \omega(Cu), \omega(Fe)$ - ?

Решение:

1. Реакция с раствором NaOH. Из трех металлов (Al, Cu, Fe) со щелочью реагирует только амфотерный алюминий. Медь и железо не реагируют.

Уравнение реакции:

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

Найдем количество вещества выделившегося водорода:

$n_1(H_2) = \frac{V_1(H_2)}{V_m} = \frac{13,44 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

По уравнению реакции, количество вещества алюминия относится к количеству вещества водорода как 2:3.

$n(Al) = \frac{2}{3} \cdot n_1(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,4 \text{ моль}$

Найдем массу алюминия в смеси. Молярная масса Al равна 27 г/моль.

$m(Al) = n(Al) \cdot M(Al) = 0,4 \text{ моль} \cdot 27 \text{ г/моль} = 10,8 \text{ г}$

2. Реакция с соляной кислотой. С соляной кислотой реагируют металлы, стоящие в ряду активности левее водорода, то есть алюминий и железо. Медь не реагирует.

Уравнения реакций:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + 2H_2\uparrow$

Общее количество выделившегося водорода:

$n_2(H_2) = \frac{V_2(H_2)}{V_m} = \frac{19,09 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,85223 \text{ моль}$

Этот объем водорода выделился в результате реакции и алюминия, и железа. Найдем, какой объем водорода выделился при реакции алюминия, количество которого мы уже знаем ($n(Al) = 0,4$ моль).

По уравнению реакции, $n(H_2 \text{ из Al}) = \frac{3}{2} \cdot n(Al) = \frac{3}{2} \cdot 0,4 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль}$

Остальной водород выделился при реакции железа:

$n(H_2 \text{ из Fe}) = n_2(H_2) - n(H_2 \text{ из Al}) \approx 0,85223 - 0,6 = 0,25223 \text{ моль}$

По уравнению реакции железа с кислотой, $n(Fe) = n(H_2 \text{ из Fe}) \approx 0,25223$ моль.

Найдем массу железа в смеси. Молярная масса Fe равна 56 г/моль.

$m(Fe) = n(Fe) \cdot M(Fe) \approx 0,25223 \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} \approx 14,125 \text{ г}$

Округлим до сотых: $m(Fe) = 14,13$ г.

3. Определение массы меди и состава смеси. Масса меди равна разности между общей массой смеси и массами алюминия и железа:

$m(Cu) = m_{смеси} - m(Al) - m(Fe) = 26 \text{ г} - 10,8 \text{ г} - 14,13 \text{ г} = 1,07 \text{ г}$

4. Рассчитаем массовые доли компонентов в смеси:

$\omega(Al) = \frac{m(Al)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{10,8 \text{ г}}{26 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 41,54\% \approx 41,5\%$

$\omega(Fe) = \frac{m(Fe)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{14,13 \text{ г}}{26 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 54,35\% \approx 54,3\%$

$\omega(Cu) = \frac{m(Cu)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{1,07 \text{ г}}{26 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 4,12\% \approx 4,1\%$

Ответ: $m(Al) = 10,8$ г, $\omega(Al) = 41,5\%$; $m(Fe) = 14,13$ г, $\omega(Fe) = 54,3\%$; $m(Cu) = 1,07$ г, $\omega(Cu) = 4,1\%$.