Номер 35, страница 43 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

5. Теория электролитической диссоциации. Реакции ионного обмена. Упражнения и задачи для самостоятельного решения - номер 35, страница 43.

Условие.

35. Имеются одинаковые объёмы водных растворов аммиака, сульфата аммония и хлорида аммония с одинаковой массовой долей. В каком из этих растворов будет находиться больше всего и меньше всего ионов аммония? Аргументируйте свой ответ.

Решение.

Решение 2.

Дано:

Водные растворы $NH_3$, $(NH_4)_2SO_4$, $NH_4Cl$
Объёмы растворов одинаковы: $V_1 = V_2 = V_3 = V$
Массовые доли веществ одинаковы: $\omega_1 = \omega_2 = \omega_3 = \omega$

Найти:

В каком растворе больше всего ионов $NH_4^+$? В каком меньше всего?

Решение:

Для сравнения количества ионов аммония ($NH_4^+$) в трех растворах необходимо определить количество вещества (число молей) этих ионов в каждом случае.

Поскольку объемы ($V$), массовые доли ($\omega$) и плотности ($\rho$) растворов с одинаковой невысокой концентрацией приблизительно равны, массы растворов ($m_{р-ра} = \rho \cdot V$) также можно считать одинаковыми. Следовательно, массы растворенных веществ ($m_{в-ва} = m_{р-ра} \cdot \omega$) в каждом из трех растворов будут одинаковы. Обозначим эту массу как $m$.

Теперь рассмотрим каждый раствор отдельно.

1. Раствор аммиака ($NH_3$)
Аммиак является слабым основанием и в водном растворе вступает в обратимую реакцию с водой: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ Диссоциация аммиака происходит неполностью, равновесие сильно смещено влево. Степень диссоциации $\alpha$ мала ($\alpha \ll 1$). Поэтому количество образующихся ионов аммония будет значительно меньше исходного количества молей аммиака.

2. Раствор хлорида аммония ($NH_4Cl$)
Хлорид аммония — это соль, образованная сильной кислотой и слабым основанием. В воде он является сильным электролитом и диссоциирует практически нацело: $NH_4Cl \rightarrow NH_4^+ + Cl^-$ Из 1 моль $NH_4Cl$ образуется 1 моль ионов $NH_4^+$.

3. Раствор сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$)
Сульфат аммония — также соль и сильный электролит, диссоциирующий в воде полностью: $(NH_4)_2SO_4 \rightarrow 2NH_4^+ + SO_4^{2-}$ Важно отметить, что из 1 моль $(NH_4)_2SO_4$ образуется 2 моль ионов $NH_4^+$.

Теперь сравним количество молей ионов аммония, которое образуется из одинаковой массы $m$ каждого вещества. Для этого рассчитаем, какая масса каждого вещества соответствует 1 моль образующихся ионов $NH_4^+$. Эту величину можно назвать "эквивалентной молярной массой" по иону аммония.

Вычислим молярные массы веществ:

$M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$

$M(NH_4Cl) = 14 + 4 \cdot 1 + 35.5 = 53.5 \text{ г/моль}$

$M((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot (14 + 4 \cdot 1) + 32 + 4 \cdot 16 = 132 \text{ г/моль}$

Определим количество молей $n(NH_4^+)$ в каждом растворе:

• Для $NH_4Cl$: 1 моль соли дает 1 моль ионов. Количество ионов: $n(NH_4^+)_{NH_4Cl} = n(NH_4Cl) = \frac{m}{M(NH_4Cl)} = \frac{m}{53.5}$
• Для $(NH_4)_2SO_4$: 1 моль соли дает 2 моль ионов. Количество ионов: $n(NH_4^+)_{(NH_4)_2SO_4} = 2 \cdot n((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot \frac{m}{M((NH_4)_2SO_4)} = \frac{2m}{132} = \frac{m}{66}$
• Для $NH_3$: 1 моль аммиака дает $\alpha$ моль ионов. Количество ионов: $n(NH_4^+)_{NH_3} = \alpha \cdot n(NH_3) = \alpha \cdot \frac{m}{M(NH_3)} = \frac{\alpha \cdot m}{17}$

Теперь сравним полученные величины.

Сначала сравним растворы солей. Мы сравниваем дроби $\frac{m}{53.5}$ и $\frac{m}{66}$. Поскольку знаменатель $53.5 < 66$, то значение дроби $\frac{m}{53.5}$ будет больше. Следовательно: $n(NH_4^+)_{NH_4Cl} > n(NH_4^+)_{(NH_4)_2SO_4}$

Теперь сравним количество ионов в растворе аммиака с остальными. Так как степень диссоциации аммиака $\alpha$ очень мала (для 0.1 М раствора $\alpha \approx 0.013$), количество ионов аммония в этом растворе будет самым низким. Даже если бы аммиак диссоциировал полностью ($\alpha=1$), количество ионов было бы $\frac{m}{17}$, что уже больше, чем в растворах солей. Но из-за неполной диссоциации количество ионов будет значительно меньше. Очевидно, что: $n(NH_4^+)_{(NH_4)_2SO_4} > n(NH_4^+)_{NH_3}$

Таким образом, расположив количества молей ионов аммония в порядке убывания, получаем: $n(NH_4^+)_{NH_4Cl} > n(NH_4^+)_{(NH_4)_2SO_4} > n(NH_4^+)_{NH_3}$

Поскольку объемы всех растворов одинаковы, то и концентрация ионов аммония будет убывать в том же порядке.

Ответ: Больше всего ионов аммония будет находиться в растворе хлорида аммония ($NH_4Cl$). Меньше всего ионов аммония будет находиться в водном растворе аммиака ($NH_3$).