Страница 46 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

3. 124 г фосфора, содержащего 25 % $P_2O_5$ в виде примесей, сожгли в кислороде. Продукт растворили в 1 л воды. Рассчитайте массовую долю $H_3PO_4$ в полученном растворе.

Дано:

Решение:

Дано:

$m(\text{смеси}) = 124 \text{ г}$

$\omega(\text{примеси } P_2O_5) = 25\%$

$V(H_2O) = 1 \text{ л}$

$\rho(H_2O) \approx 1 \text{ г/мл}$

Перевод в СИ:

$m(\text{смеси}) = 0.124 \text{ кг}$

$V(H_2O) = 1 \text{ л} = 0.001 \text{ м}^3$

$m(H_2O) = \rho(H_2O) \times V(H_2O) \approx 1000 \text{ кг/м}^3 \times 0.001 \text{ м}^3 = 1 \text{ кг}$

Найти:

$\omega(H_3PO_4)$ - ?

Решение:

1. Определим массы чистого фосфора и примеси оксида фосфора(V) ($P_2O_5$) в исходной смеси.

Масса примеси $P_2O_5$:

$m(\text{примеси } P_2O_5) = m(\text{смеси}) \times \omega(\text{примеси}) = 124 \text{ г} \times 0.25 = 31 \text{ г}$

Массовая доля чистого фосфора (P) составляет $100\% - 25\% = 75\%$.

Масса чистого фосфора:

$m(P) = m(\text{смеси}) \times (1 - \omega(\text{примеси})) = 124 \text{ г} \times 0.75 = 93 \text{ г}$

2. Рассчитаем количество вещества чистого фосфора. Молярная масса фосфора $M(P) \approx 31$ г/моль.

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{93 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 3 \text{ моль}$

3. При сжигании фосфора в кислороде образуется оксид фосфора(V). Запишем уравнение реакции и найдем массу продукта.

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

По уравнению реакции из 4 моль P образуется 2 моль $P_2O_5$. Следовательно, количество вещества образовавшегося оксида фосфора:

$n_1(P_2O_5) = \frac{2}{4} \times n(P) = \frac{1}{2} \times 3 \text{ моль} = 1.5 \text{ моль}$

Молярная масса оксида фосфора(V) $M(P_2O_5) = 2 \times 31 + 5 \times 16 = 142$ г/моль.

Масса $P_2O_5$, полученного при сжигании:

$m_1(P_2O_5) = n_1(P_2O_5) \times M(P_2O_5) = 1.5 \text{ моль} \times 142 \text{ г/моль} = 213 \text{ г}$

4. Найдем общую массу оксида фосфора(V), который растворяется в воде. Она равна сумме массы примеси и массы оксида, полученного в реакции.

$m_{общ}(P_2O_5) = m(\text{примеси } P_2O_5) + m_1(P_2O_5) = 31 \text{ г} + 213 \text{ г} = 244 \text{ г}$

5. Оксид фосфора(V) реагирует с водой с образованием фосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Рассчитаем массу кислоты.

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Найдем общее количество вещества $P_2O_5$:

$n_{общ}(P_2O_5) = \frac{m_{общ}(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{244 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = \frac{122}{71} \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, из 1 моль $P_2O_5$ образуется 2 моль $H_3PO_4$.

$n(H_3PO_4) = 2 \times n_{общ}(P_2O_5) = 2 \times \frac{122}{71} \text{ моль} = \frac{244}{71} \text{ моль} \approx 3.437 \text{ моль}$

Молярная масса фосфорной кислоты $M(H_3PO_4) = 3 \times 1 + 31 + 4 \times 16 = 98$ г/моль.

Масса образовавшейся $H_3PO_4$:

$m(H_3PO_4) = n(H_3PO_4) \times M(H_3PO_4) = \frac{244}{71} \text{ моль} \times 98 \text{ г/моль} = \frac{23912}{71} \text{ г} \approx 336.79 \text{ г}$

6. Рассчитаем массу конечного раствора. Она складывается из массы воды и общей массы растворенного в ней оксида фосфора(V).

Масса воды: $V(H_2O) = 1 \text{ л} = 1000 \text{ мл}$. При плотности $\rho(H_2O) \approx 1$ г/мл, масса воды $m(H_2O) = 1000$ г.

Масса раствора:

$m(\text{раствора}) = m_{общ}(P_2O_5) + m(H_2O) = 244 \text{ г} + 1000 \text{ г} = 1244 \text{ г}$

7. Рассчитаем массовую долю фосфорной кислоты в полученном растворе.

$\omega(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{m(\text{раствора})} \times 100\% = \frac{336.79 \text{ г}}{1244 \text{ г}} \times 100\% \approx 27.07\%$

Ответ: Массовая доля фосфорной кислоты в полученном растворе составляет примерно 27.1%.

4. Установите соответствие между происходящим с атомами неметалла процессом и схемой реакции.

ПРОЦЕСС

А) окисление

Б) восстановление

СХЕМА РЕАКЦИИ

1) $Fe + Cl_2 \to$

2) $KClO_3 + P \to$

3) $Cl_2 + FeBr_3 \to$

4) $H_2 + V_2O_5 \to$

Ответ:

Расставьте коэффициенты в схемах реакций с помощью метода электронного баланса.

А) окисление

Процесс окисления — это отдача электронов, сопровождающаяся повышением степени окисления. Нам нужно найти реакцию, в которой атом неметалла повышает свою степень окисления (выступает восстановителем).
Рассмотрим схему реакции 4: $H_2 + V_2O_5 \rightarrow V + H_2O$.
Определим степени окисления элементов до и после реакции: $H_2^0 + V_2^{+5}O_5^{-2} \rightarrow V^0 + H_2^{+1}O^{-2}$.
Степень окисления неметалла водорода ($H$) изменяется с $0$ в простом веществе $H_2$ до $+1$ в соединении $H_2O$. Происходит повышение степени окисления, следовательно, неметалл водород окисляется.

Ответ: 4

Б) восстановление

Процесс восстановления — это присоединение электронов, сопровождающееся понижением степени окисления. Нам нужно найти реакцию, в которой атом неметалла понижает свою степень окисления (выступает окислителем).
Рассмотрим схему реакции 1: $Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3$.
Определим степени окисления элементов до и после реакции: $Fe^0 + Cl_2^0 \rightarrow Fe^{+3}Cl_3^{-1}$.
Степень окисления неметалла хлора ($Cl$) изменяется с $0$ в простом веществе $Cl_2$ до $-1$ в соединении $FeCl_3$. Происходит понижение степени окисления, следовательно, неметалл хлор восстанавливается.

Ответ: 1

Расставьте коэффициенты в схемах реакций с помощью метода электронного баланса.

1) $Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3$

Решение:
Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:
$Fe^0 + Cl_2^0 \rightarrow Fe^{+3}Cl_3^{-1}$
Составляем полуреакции окисления и восстановления:
$Fe^0 - 3e^- \rightarrow Fe^{+3}$ | 2 (восстановитель)
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 3 (окислитель)
Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (3 и 2) равно 6. Находим множители: 6/3=2 и 6/2=3.
Подставляем коэффициенты в уравнение реакции:
$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Ответ: $2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3$

2) $KClO_3 + P \rightarrow KCl + P_2O_5$

Решение:
Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:
$K^{+1}Cl^{+5}O_3^{-2} + P^0 \rightarrow K^{+1}Cl^{-1} + P_2^{+5}O_5^{-2}$
Составляем полуреакции окисления и восстановления:
$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5}$ | 6 (восстановитель)
$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$ | 5 (окислитель)
Наименьшее общее кратное для 5 и 6 равно 30. Множители: 30/5=6, 30/6=5.
Подставляем коэффициенты. Перед соединениями с фосфором ставим 6, а перед соединениями с хлором – 5. Учитываем, что в продукте $P_2O_5$, поэтому коэффициент перед ним будет 3 ($6P = 3P_2$).
$5KClO_3 + 6P \rightarrow 5KCl + 3P_2O_5$
Проверяем кислород: $5 \times 3 = 15$ слева, $3 \times 5 = 15$ справа. Баланс соблюден.

Ответ: $5KClO_3 + 6P = 5KCl + 3P_2O_5$

3) $Cl_2 + FeBr_3 \rightarrow FeCl_3 + Br_2$

Решение:
Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:
$Cl_2^0 + Fe^{+3}Br_3^{-1} \rightarrow Fe^{+3}Cl_3^{-1} + Br_2^0$
Составляем полуреакции окисления и восстановления:
$2Br^{-1} - 2e^- \rightarrow Br_2^0$ | 3 (восстановитель)
$Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$ | 3 (окислитель)
Количество отданных и принятых электронов в базовых полуреакциях одинаково (2). Однако, чтобы сбалансировать атомы ($Br$ и $Cl$), необходимо учесть их количество в формулах ($FeBr_3, FeCl_3$). Возьмем 2 молекулы $FeBr_3$, чтобы получить четное число атомов брома (6). Тогда процесс окисления: $6Br^{-1} - 6e^- \rightarrow 3Br_2^0$. Для компенсации 6 электронов потребуется 3 молекулы хлора: $3Cl_2^0 + 6e^- \rightarrow 6Cl^{-1}$.
Подставляем коэффициенты в уравнение:
$3Cl_2 + 2FeBr_3 \rightarrow 2FeCl_3 + 3Br_2$

Ответ: $3Cl_2 + 2FeBr_3 = 2FeCl_3 + 3Br_2$

4) $H_2 + V_2O_5 \rightarrow V + H_2O$

Решение:
Определяем степени окисления элементов, которые их изменяют:
$H_2^0 + V_2^{+5}O_5^{-2} \rightarrow V^0 + H_2^{+1}O^{-2}$
Составляем полуреакции окисления и восстановления:
$H_2^0 - 2e^- \rightarrow 2H^{+1}$ | 5 (восстановитель)
$V^{+5} + 5e^- \rightarrow V^0$ | 2 (окислитель)
Наименьшее общее кратное для 2 и 5 равно 10. Множители: 10/2=5, 10/5=2.
Подставляем коэффициенты. Перед $H_2$ ставим 5. Перед $V$ ставим 2, а перед $V_2O_5$ оставляем 1 (т.к. в молекуле уже 2 атома ванадия).
$5H_2 + V_2O_5 \rightarrow 2V + 5H_2O$
Проверяем кислород: 5 слева, 5 справа. Баланс соблюден.

Ответ: $5H_2 + V_2O_5 = 2V + 5H_2O$