ChemNet
 

Сорокин В.В., Загорский В.В., Свитанько И.В.Задачи химических олимпиад.

3.2.Сравнение количественных данных нескольких процессов

"Сообщение такого-то химика о такой-то реакции не подтвердилось в проверочных экспериментах". Эта фраза встречается в научной периодической литературе. Не следует сразу подозревать в недобросовестности такого-то химика. Химик такой-то воспроизводит свои результаты несчетное количество раз и удивляется, почему у других это не выходит. Все происходит потому, что химический эксперимент имеет множество нюансов, которые автоматически повторяет его автор и о которых не догадываются остальные. Малейшее изменение в условиях - и реакция идет по другому пути, особенно в органической химии.
В предлагаемых в этом параграфе задачах сравниваются качественные и количественные результаты на первый взгляд одинаковых реакций, которые вовсе не одинаковы...
Сравнивать результаты нескольких реакций приходится и тогда, когда к одному продукту приходят разными путями, и расчет по каждому в отдельности дает данные необходимые, но не достаточные; учитывая все вместе, можно решить задачу.

Пример 1. В две пробирки положили по одинаковому кусочку цинка, а затем прилили некоторое количество 30%-и азотной кислоты и такое же количество воды. В первую пробирку сначала налили воду, а затем медленно приливали кислоту, во вторую- сначала налили кислоту, а затем медленно приливали воду. Какие вещества образовались? Как доказать различие содержимого пробирок после окончания реакций?

Решение. В первой пробирке сначала образуется разбавленная азотная кислота, реагирующая с цинком с образованием нитрата аммония:

4Zn + mHNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O,

и по мере добавления кислоты ее концентрация растет, что приводит к протеканию других реакций и образованию других продуктов (например, азота и оксида азота(II)).

Во второй пробирке сначала присутствует довольно концентрированная азотная кислота, реагирующая с цинком с выделением оксида азота (II):

3Zn + 8HNO3 = 3Zn(NO3)2+2NOuarrow.gif (63 bytes) + 4H2O,

и по мере добавления воды ее концентрация падает, но не настолько, чтобы шло образование ионов аммония.

Таким образом, ионы аммония присутствуют только в первой пробирке и могут быть обнаружены по выделению аммиака при действии щелочи:

NH4NO3 + NaOH = NaNO3 + H2O + NH3uarrow.gif (63 bytes),
Zn(NO3)2 + 2NaOH = Zn(OH)2darrow.gif (62 bytes) + NaNO3.

Пример 2. Два юных химика определяли концентрацию раствора азотной кислоты. Один из них отмерил 10,0 мл кислоты и добавил его к избытку металлической меди. При этом он получил 746 мл газа, превратившегося при сильном охлаждении в сине-зеленую жидкость. Второй предварительно разбавил 10,0 мл кислоты водой в 10 раз и обработал полученным раствором порошок свинца. При этом он получил 560 мл газа (объемы газов приведены к н. у., выходы количественные). Определить концентрацию азотной кислоты и объяснить различия в результатах опыта.

Решение. Сине-зеленая жидкость, образующаяся при охлаждении газа, представляет собой NОз; таким образом, газ, выделившийся в реакции с медью, - эквимолярная смесь NO и NO2:

Image2.gif (1306 bytes)

746 мл газа составляют 0,033 моль, или по 0,0167 моль NO и NO2. В реакцию вступило-0,0167times.gif (49 bytes)6 = 0,1 моль HNO3. Следовательно, 10 мл раствора HNOs содержат 0,1 моль кислоты, 1 л содержит соответственно 10 моль.
Во втором опыте используют заведомо разбавленную HNOs и малоактивный металл, и реакция приводит к образованию только оксида азота(II):

3Pb + 8HNO3 = 3Pb(NO3)2 + 2NOuarrow.gif (63 bytes) + 4H2O.

560 мл газа составляют 0,025 моль;

8 моль

HNO3

дают 2 моль NO,
х моль 0,025 моль NO,
х - 0,1 моль.

10,0 мл исходного раствора HNO3 содержат 0,1 моль кислоты, что соответствует результатам первого эксперимента.Различие в объемах полученных газов, таким образом, объясняется различием в условиях проведения реакций.

Задачи

1. Выходящий из доменной печи газ имеет следующий состав (объемные доли phi2.gif (79 bytes) в %): phi2.gif (79 bytes)(СО)2 - 12,0; phi2.gif (79 bytes)(СО) - 28,0; phi2.gif (79 bytes)2) - 3,0; phi2.gif (79 bytes)(СН4) - 0,6; phi2.gif (79 bytes)2Н4)-0,2;  phi2.gif (79 bytes)(N2) -56,2.

Рассчитайте, сколько потребуется воздуха (в м3) для полного сжигания 200 м3 этого газа (объемы измерены при одной температуре). Считать, что содержание кислорода в воздухе около 20% по объему. Определите количественный состав продуктов сжигания доменного газа в 20%-м избытке воздуха.

2. Какой объем 8%-го раствора гидроксида натрия (плотность = 1,09 г/см3) потребуется для полной нейтрализации 100 мл раствора серной кислоты, если известно, что из 10 мл данного раствора серной кислоты при добавлении избытка хлорида бария можно получить 0,233 г осадка.

3. При нагревании 98 г бертолетовой соли (КСЮз) часть ее разложилась с выделением кислорода, а часть - с образованием хлорида калия и перхлората калия (КС1О4). Определите состав твердого остатка, если выделилось 19,2 г кислорода.

4. Соль одновалентного металла массой 74,4 г нагрели в закрытом сосуде, при этом получилось 26,8 мл бесцветной жидкости с концентрацией вещества 11,2 моль/л. Определите формулу соли, если известно, что она содержит металл, водород, 25,8% серы и 51,61% кислорода.

5. При образовании 1 моль воды из простых веществ выделяется 284 кДж теплоты; при образовании 1 моль оксида углерода (IV) - 395 кДж. Сгорая, 1 моль метана выделяет 893 кДж, а 1 моль ацетилена 1310 кДж. Рассчитайте, сколько теплоты выделится при образовании 1 моль ацетилена при термическом разложении метана, учитывая, что тепловой эффект реакции образования простых веществ равен нулю.

6. Ток последовательно проходит через ряд электролизеров с водными растворами: а) CuSO4; б) NiSO4; в) Fe2(SO4)г)FeСl2. Какие массы металлов выделились на катодах, если известно, что у анода последнего электролизера выделилось 1,4 л хлора (н. у.). (Анодные и катодные пространства, а также сами электролизеры разделены диафрагмами.)

Решения

1. По первому вопросу задачи - приходится объемных частей О2 на объемные доли газов (из условия):

2СО + О2 = 2СО2 -14,0,
2 + O2 = 2Н2О - 1,5,
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н20 - 1,2,
С2Н4 + 3О2 = 2СО2 + 2Н2О - 0,6.

Всего 17,3/0,2 = 86,5 частей воздуха на 100 частей газа; 200 м3 газа соответствуют 2-86,5 = 173 м3+ +20% (34,6 м3) воздуха; всего 207,6 м3 воздуха. По второму вопросу задачи - 207,6-0,2 = 41,52 м3 О2 на 200 м3 газа; тогда получится 20,76 м3 О2 или 103,8 м3 воздуха и соответственно 83,04 м3 азота на 100 м3 доменного газа.

Баланс по уравнениям реакций:

CO2 H2O N2 O2
12,00 3,00 56,20 20,76
+ + + -
28,00 1,20 83,04 17,30
+ + -------- --------
  0,60   0,40 139,24 3,46

        +

--------
0,40 4,60
----------
41,00

Всего: 41,00+4,60+139,24+3,46=188,30 объемных частей газа.

2. Уравнение реакции образования осадка сульфата бария:

0,233 г
H2SO4 +ВаСl2 = BaSO4darrow.gif (62 bytes) +2HCl,
М избыток 233 г/моль
v 0,001 моль 0,001 моль

так как 0,233 г BaSO4 составляет 0,001 моль вещества. Нейтрализация серной кислоты гидроксидом натрия:

H2SO4 +

2NaOH =

Na2SO4 + 2Н2О
М

40 г/моль

В 10 мл серной  кислоты - 0,001 моль H2SO4,
в 100 мл -" - - "- - -"----"   ---"       х моль H2SO4,

X = 0,01 моль H2SO4,

Таким образом, на нейтрализацию 0,01 моль H2SO4 требуется согласно уравнению реакции нейтрализации 0,02 моль NaOH, что составляет 40times.gif (49 bytes)0,02 =  0,8 (г). Масса раствора гидроксида натрия (omega.lc.gif (56 bytes) = 8%), пошедшего на нейтрализацию, равна 0,8times.gif (49 bytes)100/8=10 (г) раствора, а объем раствора составляет 10/1,09 = 9,17 мл NaOH.

3. Составляем уравнения реакций, происходящих при нагревании бертолетовой соли:

2КСlO3 = 2КСl + 3O2; (1)(при нагревании)
4КСlO3 = КСl + 3КСlO4. (2) (при нагревании)
М(КСlО3) = 122,5 г/моль; М(КСl) = 74,5 г/моль;
М(О2) = 32 г/моль; М(КСlО4) = 138,5 г/моль.

Находим массу КСlO3, разложившегося по уравнению (1):

2times.gif (49 bytes)122,5 г КСlO3 - 3times.gif (49 bytes)32 г О2
х г - "- - - - - "- - -"19,2 О2,

х = 49 г КС1О3.

При этом образовалось КС1:

2times.gif (49 bytes)74,5 г КС1 - 3times.gif (49 bytes)32 г О2,
у г - "- - --- - - -"19,2 г О2,

y = 29,8 г КС1.

По уравнению (2) разложилось 98-49 = 49г  КСlO3. Находим массу образовавшегося КСl:

4times.gif (49 bytes)122,5 г КСlO3 - 74,5 г КСl,
49 г - "- - - -"- - - "  х г КСl,

х = 7,45 г КС1.

Масса образовавшегося КС1О4:

4times.gif (49 bytes)122,5 г КСlO3 --- 3times.gif (49 bytes)138,5 г КС1О4,
49 г - "- - - -" - - - -    " у г КС1О4,
y = 41,55 г КС1О4.

Состав твердого остатка: 29,8+7,45=37,25 г КС1, 41,55 г КС1О4.

4. В растворе содержалось 0,0268 • 11,2 = 0,3 моль соли с относительной молекулярной массой 74.4/0,3 = 248

Один моль соли содержит        моль атомов S и     моль атомов O2

На металл и водород от величины  248 приходится 56. Из одновалентных металлов, соли которых устойчивы в водных растворах, подходят Li, Na, К (другие отпадают, так как тогда получающиеся брутто-формулы не соответствуют реальным соединениям). Если металл Na, тогда соль - Na2S2O3times.gif (49 bytes)5H2O - тиосульфат натрия.

5. Н2+1/2О2 = П2О + 284кДж;
С + О2 = СО2 + 395 кДж;
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + 893 кДж;
С2Н2 + 5/2O2 = 2СO2 + Н2О + 1310 кДж;
2CH4  rarrow.gif (63 bytes) С2Н2 + 3H2 + Q.

Для определения неизвестной теплоты реакции надо провести алгебраическое сложение термохимических уравнений образования входящих в нее сложных веществ:

Q = 2Q (CH4) -Q (C2H2) -3Q (Н2) = 2times.gif (49 bytes)893-1310-3times.gif (49 bytes)284 = -376 кДж.

Реакция идет с поглощением тепла.

6. FеС12 Image3.gif (104 bytes) Fe + Cl2 uarrow.gif (63 bytes) (анод-побочное образование Fe3+). 1,4л хлора составляют 0,0625 моль вещества. Таким образом, на катоде выделилось 0,0625 г/моль железа, или 3,5 г.

Количество электричества, прошедшее через все электролизеры, одинаково. Согласно закону Фарадея в этом случае выделилось одинаковое количество эквивалентов всех металлов (1 г-эквивалент соответствует молярной массе на единицу степени окисления), причем в последнем электролизере (с водным раствором FеС12) Э(Fе) =56/2 = 28, т. е. 3,5 г составляют 0,125 г-экв. Тогда

Fe2(SO4)3 : Э(Fe) = 56/3 = 18,67 m(Fe) =  0,125times.gif (49 bytes)18,67 = 2,33(г).
NiSO4 : Э(Ni) = 58,7/2 = 29, 35 m(Ni) = 0,125times.gif (49 bytes)29,35 = 3, 67(г).
CuSO4 : Э(Cu) = 64/2 = 32 m(Cu) = 0,125times.gif (49 bytes)32 = 4(г)



Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору