Какие продукты могут быть получены при нагревании смеси
Автор статьи — профессиональный репетитор О. В. Овчинникова.
Задачи на смеси и сплавы — очень частый вид задач на ЕГЭ по химии. Они требуют чёткого представления о том, какие из веществ вступают в предлагаемую в задаче реакцию, а какие нет.
О смеси мы говорим тогда, когда у нас есть не одно, а несколько веществ (компонентов), «ссыпанных» в одну емкость. Вещества эти не должны взаимодействовать друг с другом.
Типичные заблуждения и ошибки при решении задач на смеси.
- Попытка записать оба вещества в одну реакцию.Вот одна из распространенных ошибок:
«Смесь оксидов кальция и бария растворили в соляной кислоте…»Многие выпускники пишут уравнение реакции так:Это ошибка. Ведь в этой смеси могут быть любые количества каждого оксида!
А в приведенном уравнении предполагается, что их равное количество. - Предположение, что их мольное соотношение соответствует коэффициентам в уравнениях реакций.Например:
Количество цинка принимается за , а количество алюминия — за (в соответствии с коэффициентом в уравнении реакции). Это тоже неверно. Эти количества могут быть любыми и они никак между собой не связаны.
- Попытки найти «количество вещества смеси», поделив её массу на сумму молярных масс компонентов.Это действие вообще никакого смысла не имеет. Каждая молярная масса может относиться только к отдельному веществу.
Часто в таких задачах используется реакция металлов с кислотами. Для решения таких задач надо точно знать, какие металлы с какими кислотами взаимодействуют, а какие — нет.
Необходимые теоретические сведения.
Способы выражения состава смесей.
- Массовая доля компонента в смеси— отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.
где
– “омега”, массовая доля компонента в смеси,
– масса компонента,
– масса смеси - Мольная доля компонента в смеси — отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества , и , то:
где
– “хи”, мольная доля компонента в смеси,
– число моль (количество вещества) компонента А - Мольное соотношение компонентов.Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:
- Объёмная доля компонента в смеси (только для газов)— отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.
где
– “фи”, объёмная доля компонента в смеси,
– объём вещества А,
– общий объём всей газовой смеси
Электрохимический ряд напряжений металлов.
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au
Реакции металлов с кислотами.
- С минеральными кислотами, к которым относятся все растворимые кислоты (кроме азотной и концентрированной серной, взаимодействие которых с металлами происходит по-особому), реагируют только металлы, в электрохимическом ряду напряжений находящиеся до (левее) водорода.
- При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, кобальт), проявляют минимальную из возможных степень окисления — обычно это .
- Взаимодействие металлов с азотной кислотой приводит к образованию, вместо водорода, продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой — к выделению продуктов восстановления серы. Так как реально образуется смесь продуктов восстановления, часто в задаче есть прямое указание на конкретное вещество.
Продукты восстановления азотной кислоты.
Продукты восстановления серной кислоты.
| Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота | Щелочноземельные металлы + конц. кислота | Щелочные металлы и цинк + концентрированная кислота. | Разбавленная серная кислота ведет себя как обычная минеральная кислота (например, соляная) | |
| Пассивация: с холодной концентрированной серной кислотой не реагируют: | ||||
| Не реагируют с серной кислотой ни при какой концентрации: | ||||
Реакции металлов с водой и со щелочами.
- В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы (), а также металлы IIA группы: . При этом образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить магний.
- В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы: алюминий, цинк и олово. При этом образуются гидроксокомплексы и выделяется водород.
Внимание! Многие ошибки в решении задач ЕГЭ по химии связаны с тем, что школьники плохо владеют математикой. Специально для вас – материал о том, как решать задачи на проценты, сплавы и смеси.
Примеры решения задач.
Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:
Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.
Решение примера 1.
- Находим количество водорода: моль.
- По уравнению реакции:
Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
г.
- Теперь можно рассчитать массовые доли металлов в смеси:
Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за — число моль одного из металлов, а за — количество вещества второго.
Решение примера 2.
- Находим количество водорода: моль.
- Пусть количество алюминия — моль, а железа моль. Тогда можно выразить через и количество выделившегося водорода:
- Нам известно общее количество водорода: моль. Значит, (это первое уравнение в системе).
- Для смеси металлов нужно выразить массычерез количества веществ.Значит, масса алюминия
масса железа
а масса всей смеси
(это второе уравнение в системе).
- Итак, мы имеем систему из двух уравнений:
Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:и вычитая первое уравнение из второго:
- Дальше находим массы металлов и их массовые доли в смеси:
соответственно,
Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н.у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.
В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г — это масса меди. Количества остальных двух металлов — цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.
Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.
Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в таких задачах — правильно определить, какой металл будет растворяться в ней, а какой не будет.
Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н.у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.
В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью реагирует только алюминий — амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи — ещё можно растворить бериллий).
Решение примера 4.
- С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа: моль
(конц.)
(не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)Так как мольное соотношение меди и сернистого газа , то меди тоже моль.
Можно найти массу меди:г.
- В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
- Число моль водорода: моль,мольное соотношение алюминия и водорода и, следовательно,
моль.
Масса алюминия:
г
- Остаток — это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси: г.
- Массовые доли металлов:
Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н.у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)
В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота — «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это — азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.
Решение примера 5.
- Определяем количество вещества газа: моль.
- Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной :
Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит — кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке, и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.
- Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс) и, для удобства расчетов, принимаем за — количество цинка, а за — количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится моль, а во второй — моль:
- Тогда, учитывая, что масса смеси металлов г, их молярные массы — г/моль у цинка и г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:
– количество азота
– масса смеси двух металловРешать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.
значит, моль
значит, моль
Проверим массу смеси:
г.
- Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
- Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию: моль,
т.е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
моль.
- Итак, в итоговом растворесодержатся:
нитрат цинка в количестве моль:
г
нитрат алюминия в количестве моль:
г
избыток азотной кислоты в количестве моль:
г
- Какова масса итогового раствора?Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):
Масса
нового
раствора= Сумма масс
смешиваемых
растворов и/или веществ– Масса осадков – Масса газов Тогда для нашей задачи:
= масса раствора кислоты + масса сплава металлов — масса азота
г
г
- Теперь можно рассчитать массовые доли веществ в получившемся растворе:
Пример 6. При обработке г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось л газа (н.у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты — л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)
При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт , а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.
Задачи для самостоятельного решения.
1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.
1-1. Смесь меди и алюминия массой г обработали -ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.
1-2. Смесь меди и цинка массой г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось л газа (н.y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-3. Смесь магния и оксида магния массой г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось л газа (н.у.). Найти массовую долю магния в смеси.
1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось г меди. Определите состав исходной смеси.
1-6. Какая масса -ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом л (н.у.)?
1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом л (н.у.). Определите состав исходной смеси.
1-8. При растворении г смеси железных и алюминиевых опилок в -ном растворе соляной кислоты ( г/мл) выделилось л водорода (н.у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.
2. Задачи более сложные.
2-1. Смесь кальция и алюминия массой г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось л газа (н.у.). Определите массовые доли металлов в смеси.
2-2. Для растворения г сплава магния с алюминием использовано мл -ного раствора серной кислоты ( г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н.у.), выделившегося при растворения сплава.
2-3. При растворении г смеси железа и оксида железа (II) в серной кислоте и выпаривании раствора досуха образовалось г железного купороса — гептагидрата сульфата железа (II). Определите количественный состав исходной смеси.
2-4. При взаимодействии железа массой г с хлором образовалась смесь хлоридов железа (II) и (III) массой г. Вычислите массу хлорида железа (III) в полученной смеси.
2-5. Чему была равна массовая доля калия в его смеси с литием, если в результате обработки этой смеси избытком хлора образовалась смесь, в которой массовая доля хлорида калия составила ?
2-6. После обработки избытком брома смеси калия и магния общей массой г масса полученной смеси твердых веществ оказалась равной г. Эту смесь обработали избытком раствора гидроксида натрия, после чего осадок отделили и прокалили до постоянной массы. Вычислите массу полученного при этом остатка.
2-7. Смесь лития и натрия общей массой г окислили избытком кислорода, всего было израсходовано л (н.у.). Полученную смесь растворили в г -го раствора серной кислоты. Вычислите массовые доли веществ в образовавшемся растворе.
2-8. Сплав алюминия с серебром обработали избытком концентрированного раствора азотной кислоты, остаток растворили в уксусной кислоте. Объемы газов, выделившихся в обеих реакциях измеренные при одинаковых условиях, оказались равными между собой. Вычислите массовые доли металлов в сплаве.
3. Три металла и сложные задачи.
3-1. При обработке г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось л газа. Такой же объем газа выделяется и при обработке этой же смеси такой же массы избытком разбавленной серной кислоты (н.у.). Определите состав исходной смеси в массовых процентах.
3-2. г смеси железа, меди и алюминия, взаимодействуя с избытком разбавленной серной кислоты, выделяет л водорода (н.у.). Определите состав смеси в массовых процентах, если для хлорирования такой же навески смеси требуется л хлора (н.у.).
3-3. Железные, цинковые и алюминиевые опилки смешаны в мольном отношении (в порядке перечисления). г такой смеси обработали избытком хлора. Полученную смесь хлоридов растворили в мл воды. Определить концентрации веществ в полученном растворе.
3-4. Сплав меди, железа и цинка массой г (массы всех компонентов равны) поместили в раствор соляной кислоты массой г. Рассчитайте массовые доли веществ в получившемся растворе.
3-5. г смеси, состоящей из кремния, алюминия и железа, обработали при нагревании избытком гидроксида натрия, при этом выделилось л газа (н.у.). При действии на такую массу смеси избытка соляной кислоты выделяется л газа (н.у.). Определите массы веществ в исходной смеси.
3-6. При обработке смеси цинка, меди и железа избытком концентрированного раствора щелочи выделился газ, а масса нерастворившегося остатка оказалась в раза меньше массы исходной смеси. Этот остаток обработали избытком соляной кислоты, объем выделившегося газа при этом оказался равным объему газа, выделившегося в первом случае (объемы измерялись при одинаковых условиях). Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.
3-7. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов (в порядке перечисления). Какой минимальный объем воды может вступить в химическое взаимодействие с такой смесью массой г?
3-8. Смесь хрома, цинка и серебра общей массой г обработали разбавленной соляной кислотой, масса нерастворившегося остатка оказалась равной г. Раствор после отделения осадка обработали бромом в щелочной среде, а по окончании реакции обработали избытком нитрата бария. Масса образовавшегося осадка оказалась равной г. Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.
Ответы и комментарии к задачам для самостоятельного решения.
1-1. (алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой);
1-2. (в щелочи растворяется только амфотерный металл — цинк);
1-3. ;
1-4. ;
1-5. (железо, вытесняя медь, переходит в степень окисления );
1-6. г;
1-7. (железо в азотной кислоте переходит в );
1-8. (железо в реакции с соляной кислотой переходит в ); мл раствора .
2-1. (кальций и алюминий с графитом (углеродом) образуют карбиды и ; при их гидролизе водой или выделяются, соответственно, ацетилен и метан );
2-2. ;
2-3. (гептагидрат сульфата железа — );
2-4. г;
2-5. ;
2-6. г;
2-7. (при окислении кислородом лития образуется его оксид, а при окислении натрия — пероксид , который в воде гидролизуется до пероксида водорода и щелочи);
2-8. ;
3-1. ;
3-2. ;
3-3. (железо в реакции с хлором переходит в степень окисления );
3-4. (не забудьте, что медь не реагирует с соляной кислотой, поэтому её масса не входит в массу нового раствора);
3-5. г г г (кремний — неметалл, он реагирует с раствором щелочи, образуя силикат натрия и водород; с соляной кислотой он не реагирует);
3-6. ;
3-7. мл;
3-8. (хром при растворении в соляной кислоте переходит в хлорид хрома (II), который при действии брома в щелочной среде переходит в хромат; при добавлении соли бария образуется нерастворимый хромат бария)
Источник
Смеси – это сложные
системы, состоящие из двух или более веществ. Состав смесей выражают разными
способами, наиболее часто встречающейся в задачах величиной является массовая доля
вещества.
Массовая доля
вещества в
смеси – это отношение массы вещества к массе всей смеси:
ω( в-ва)= m(в-ва) / m(смеси)
выражается она в долях от единицы
или процентах.
Задачи на смеси очень
разнообразны, способы их решения –тоже. Главное при решении –правильно
составить уравнения. реакций, а для этого нужно иметь
прочные знания о химических
свойствах веществ. Напомним основные моменты.
Взаимодействие
металлов с кислотами
- С
растворимыми минеральными кислотами (кроме азотной и концентрированной
серной) реагируют только металлы, находящиеся в электрохимическом ряду
напряжений левее водорода. При этом металлы, имеющие несколько степеней
окисления (железо, хром, марганец, никель), проявляют минимальную из
возможных степень окисления – обычно это +2. - Взаимодействие
металлов (в том числе и тех, которые находятся в электрохимическом ряду
правее водорода) с азотной кислотой приводит к образованию продуктов
восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой – к выделению
продуктов восстановления серы. Поскольку в реальности образуется смесь
продуктов восстановления, в задаче часто есть прямое указание на
получающееся вещество. - С
холодными (без нагревания) концентрированными азотной и серной кислотами не
реа-
гируют Al, Cr, Fe. При нагревании реакция протекает и образуются соли
этих металлов
в степениокисления +3. Не реагируют с данными кислотами ни при
какой концентрации
Au и Pt.
Взаимодействие
металлов с водой и щелочами
• В воде при
комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые
основания (щелочи). Это щелочные металлы – Li, Na, K,
Rb, Cs, а также
металлы IIа группы – Са, Sr, Ba. Образуется щелочь и водород. При кипячении в
воде также можно растворить Mg.
• В щелочи могут
раствориться только амфотерные металлы –алюминий, цинк, бериллий, олово. При
этом образуются гидроксо-комплексы
и выделяется водород,
например:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4]
+ 3H2↑,
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑.
ТИП I. НЕРАСТВОРИМОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ
КОМПОНЕНТОВ.
Задача
1. Смесь алюминия и железа обработали избытком соляной кислоты, при
этом выделилось 8,96 л газа (н.у.). Это же количество смеси обработали избытком
раствора гидроксида натрия, выделилось 6,72 л газа (н.у.). Найти массовую долю
железа в исходной смеси.
Решение
1) Составим уравнения
реакций взаимодействия металлов с
кислотой и щелочью,
при этом нужно учесть, что железо не реагирует с раствором щелочи:
2Al + 6HCl = 2AlCl3+
3H2 ↑ (1)
2моль 3моль
Fe + 2HCl = FeCl2 +H2↑ (2)
1моль 1моль
2Al + 2NaOH + 6H2O == 2Na[Al(OH)4]
+ 3H2↑ (3)
2моль
3моль
2) Поскольку со щелочью реагирует
только алюминий, то мож-
но найти его количество вещества:
ν(Н2) = V/VM= 6,72 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,3 моль,
следовательно, ν(Al) = 0,2 моль.
3) Поскольку для обеих реакций
были взяты одинаковые количества смеси, то в реакцию с
соляной кислотой вступило такое же
количество алюминия, как и в реакцию со щелочью,
– 0,2 моль.
По уравнению (1) находим:
ν(Н2) = 0,3 моль.
4) Найдем количество вещества
водорода, выделившегося в результате реакции металлов с кислотой:
νобщ(Н2) = V
/ VМ= 8,96 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,4 моль.
5) Найдем количество вещества
водорода, выделившегося при взаимодействии железа с кислотой, и затем
количество вещества железа:
ν(Н2) = νобщ(Н2)
– ν(Н2) = 0,4 – 0,3 = 0,1 моль,
ν(Fe) = 0,1 моль.
6) Найдем массы Al, Fe, массу смеси
и массовую долю железа в смеси:
m(Al) = 27
(г/моль) * 0,2 (моль) = 5,4 г,
m(Fe) = 56
(г/моль) * 0,1 (моль) = 5,6 г,
mсмеси(Al, Fe) = 5,4 +
5,6 = 11 г,
ω(Fe) = mв-ва
/ mсм = 5,6 / 11 = 0,5091 (50,91 %).
Ответ. ω(Fe) = 50,91
%.
ТИП II. ≪ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ≫
Речь идет об одновременно происходящих реакциях, с реагентом
(реагентами) взаимодействуют все компоненты смеси. Для определения порций
отдельных компонентов придется использовать алгебраический алгоритм. Поскольку
в дальнейшем предстоят расчеты по уравнениям реакций, в качестве неизвестной величины
лучше всего выбрать количество вещества.
Алгоритм 1. Решение через систему уравнений с двумя неизвестными
(подходит для любой задачи такого типа)
1. Составить
уравнения реакций.
2. Количества
веществ (ν) в исходной смеси обозначить через х, у моль и,
согласно молярным соотношениям по уравнениям реакций, выразить через х, у
моль количества веществ в
образовавшейся смеси.
3. Составить
математические уравнения. Для этого следует выразить массу (или объем)
веществ через х, у и молярную массу (молярный объем)
по формулам:
m = ν*M;
V = ν*VМ.
4. Составить
систему уравнений и решить ее.
5. Далее
решать согласно условиям задачи
Задача 1. Пластинку из магниево-алюминиевого
сплава массой 3,9 г поместили
в раствор соляной кислоты. Пластинка
растворилась, и выделилось 4,48 л газа. Найти массовые доли металлов в сплаве.
Решение
1) Запишем уравнения реакции:
Mg + 2HCl = MgCl2 +H2↑
1моль 1моль
2Al+ 6HCl = 2AlCl3 +3H2↑
2моль 3моль
2) Обозначим количества веществ:
ν(Mg) = x моль; ν(Н2)
= х моль;
ν(Al) = y моль; ν(Н2)
= 1,5 у моль.
3) Составим математические уравнения:
найдем массы магния, алюминия и их смеси, а также ко-
личество вещества выделившегося
водорода:
m(Mg) = 24x,
m(Al) = 27y,
m(смеси)
= 24х + 27y;
ν(Н2) = V/VM= 4,48 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль.
4) Составим систему уравнений и
решим ее:
24x+ 27y=3,9
x + 1,5y = 0, 2 .
х = 0,2 – 1,5у,
24(0,2 – 1,5у) + 27у =
3,9,
у = 0,1;
х = 0,2 – 1,5*0,1
= 0,05.
5) Найдем массы магния и алюминия
и их массовые доли в смеси:
m(Mg) = 0,05
(моль) * 24 (г /моль) = 1,2 г,
m(Al) = 0,1
(моль) * 27 (г /моль) = 2,7 г,
ω(Mg) = m(Mg) / m(см.)
= 1,2 (г) / 3,9 (г) = 0,3077,
ω(Al) = m(Al) / m(см.)
= 2,7 / 3,9 = 0,6923.
Ответ. ω(Mg) = 30,77 %; ω(Al) = 69,23 %.
Задача 2. К раствору,
содержащему 5,48 г смеси сульфата и силиката натрия, прибавили избыток хлорида
бария, в результате образовалось 9,12 г осадка. Найти массы солей в исходной смеси.
Решение
1) Составим уравнения реакций:
Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ +
2NaCl,
1моль
1моль
Na2SiO3 + BaCl2 =BaSiO3↓+ 2NaCl.
1моль 1моль
2) Обозначим количества веществ:
ν(Na2SO4) =
x моль,
ν(BaSO4) = х моль;
ν(Na2SiO3)
= у моль,
ν(BaSiO3) = у моль.
3) Составим формулы для массы
веществ:
m(Na2SO4) = 142x,
m(BaSO4) = 233x,
m(Na2SiO3) = 122y,
m(BaSiO3) = 213y;
m(исх. см.) = m(Na2SO4)
+ m(Na2SiO3),
m(обр. см.) = m(BaSO4)
+ m(BaSiO3).
4) Составим систему уравнений и
решим ее:
142x+ 122y =5,48
233x+ 213y =9,12 .
х= 0,03, y = 0,01.
m(Na2SO4) = 0,03
(моль)æ142 (г/моль) = 4,26 г,
m(Na2SiO3) = 5,48 – 4,26 = 1,22 г.
Ответ. m(Na2SO4) = 4,26 г; m(Na2SiO3) =
1,22 г.
Алгоритм 2. Решение через уравнение с
одним неизвестным
(подходит только
для задач, в которых можно найти общее количество продукта, образующегося во
всех параллельных реакциях)
1. Составить
уравнения реакций.
2. Найти количество
образовавшегося вещества.
3. Обозначить
количество вещества, получившегося в результате одной реакции, через
х моль, тогда
количество вещества, получившегося в результате второй реакции, будет равно:
(ν – х). Выразить, согласно
уравнениям реакций, количества веществ в исходной смеси.
4. Выразить массы
веществ, составить и решить уравнение с одним неизвестным.
Из двух задач, решенных по алгоритму 1,
этим способом можнорешить только задачу 1. (в разделе
ТИП II. ≪ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ≫)
Решение задачи 1
1) Составим уравнения реакций:
Mg+ 2HCl = MgCl2 + H2
↑ (1)
1моль 1моль
2Al+
6HCl = 2AlCl3 +3H2↑
(2)
2моль 3моль
2) Найдем количество вещества образовавшегося
водорода:
ν(Н2) = V / VМ =
4,48 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль.
3) Обозначим количество вещества
водорода, получившегося по реакции (2),
ν(Н2) = х моль, тогда
количество вещества водорода, получившегося по реакции (1),
равно: ν(Н2) = 0,2 – х.
Согласно уравнениям реакций в
исходной смеси было:
ν(Mg) = 0,2 – x; ν(Al) = 2x
/ 3.
4) Выразим массы:
m(Mg) = 24(0,2 – x)
= 4,8 – 24x,
m(Al) = 27æ2x /3
= 18х.
Составим уравнение с одним неизвестным:
4,8 – 24х + 18х =
3,9;
х = 0,15.
ν(Mg) = 0,2 – 0,15 = 0,05 моль;
ν(Al) = 2/3 * 0,15 = 0,1 моль.
5) Найдем массы магния и алюминия
и их массовые доли в смеси:
m(Mg) = 0,05
(моль) * 24 (г /моль) = 1,2 г,
m(Al) = 0,1
(моль) * 27 (г /моль) = 2,7 г,
ω(Mg) = m(Mg) / m(см.)
= 1,2 (г) / 3,9 (г) = 0,3077,
ω(Al) = m(Al) / m(см.)
= 2,7 / 3,9 = 0,6923.
Ответ. ω(Mg) = 30,77 %; ω(Al) = 69,23 %.
ТИП III. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЗАДАЧИ
Задача 1. При обработке 17,4 г смеси алюминия, железа и меди избытком
соляной кисло-
ты выделилось 8,96 л (н.у.) . Не растворившийся в соляной кислоте остаток
растворился
в концентрированной азотной кислоте с выделением 4,48 л газа (н.у.).
Определить состав
исходной смеси (в %).
Решение
1) Составим уравнения реакций:
Fe+ 2HCl = FeCl2 + H2↑
1моль 1моль
2Al+ 6HCl = 2AlCl3 +3H2↑
2моль 3моль
Cu+ 4HNO3 == Сu(NO3)2
+ 2NO2↑+ 2H2O.
1моль 2моль
2) Найдем количество вещества
оксида азота(IV) и количество
вещества и массу меди:
ν(NO2) = V / VМ= 4,48 л / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль,
ν(Сu) = 0,1 моль;
m(Cu) = M *
ν == 64 (г/моль) * 0,1 (моль) = 6,4 г.
3) Найдем массу смеси железа и
алюминия:
m(Fe, Al) = 17,4 (г) – 6,4 (г) = 11 г.
4) Обозначим количества веществ:
ν(Fe) = x моль, ν(Н2) = х
моль;
ν(Al) = y моль, ν(Н2) =
1,5 у моль.
5) Выразим массы Fe и Al через x и y; найдем количество
вещества водорода:
m(Fe) = 56x;
m(Al) = 27y;
ν(Н2) = V / VМ= 8,96 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,4 моль.
6) Составим систему уравнений и
решим ее:
56x + 27y = 11
X + 1,5y =0,4 .
х = 0,4 – 1,5у;
56(0,4 – 1,5у) + 27у =
11,
у = 0,2;
х = 0,4 – 1,5*0,2
= 0,1.
7) Найдем массы железа и алюминия,
затем массовые доли веществ в смеси:
m(Fe) = 0,1
(моль) * 56 (г/моль) = 5,6 г,
m(Al) = 0,2
(моль) * 27 (г/моль) = 5,4 г;
ω(Cu) = m(Cu) / m(см.)
= 6,4 (г) / 17,4 (г) = 0,368,
ω(Fe) = m(Fe) / m(см.)
= 5,6 (г) / 17,4 (г) = 0,322,
ω(Al) = m(Al) / m(см.)
= 5,4 (г) / 17,4 (г) = 0,31.
Ответ. ω(Сu) = 36,8
%; ω(Fe) = 32,2 %; ω(Al) = 31 %.
ТИП IV. ЗАДАЧИ НА КИСЛЫЕ СОЛИ
Этот тип задач тоже был предложен впервые в одном из вариантов ЕГЭ
по химии в 2012 г. В зависимости от количеств реагирующих веществ возможно
образование смеси двух солей. Приведем пример.
При нейтрализации оксида фосфора(V) щелочью в зависимости от
молярного соотношения
образуются следующие продукты:
P2O5 + 6NaOH
= 2Na3PO4 + 3H2O,
ν(P2O5)
/ ν(NaOH) = 1/6;
P2O5 + 4NaOH = 2Na2HPO4
+ H2O,
ν(P2O5)
/ ν(NaOH) = 1/4;
P2O5 + 2NaOH
+ H2O = 2NaH2PO4,
ν(P2O5)
/ ν(NaOH) = 1/2.
При взаимодействии 0,2 моль Р2О5 с раствором
щелочи, содержащим 0,9 моль NaOH, молярное
соотношение находится между 1/4 и 1/6. В этом случае образуется
смесь двух солей: фосфата натрия и гидрофосфата натрия. Если раствор щелочи
будет содержать 0,6 моль NaOH, то молярное соотношение будет другим:
0,2/0,6 =1/3, оно находится между 1/2 и 1/4,
поэтому получится другая смесь двух солей: дигидрофосфата и
гидрофосфата натрия.
Эти задачи можно решать разными способами. В любом случае вначале
нужно составить
уравнения всех возможных реакций, найти количества реагирующих
веществ и, сравнив их соотношение с числом моль по уравнению, определить, какие
соли получаются.
При более простом варианте (алгоритм 1) можно не учитывать
последовательность протекания реакций,
исходить из предположения, что одновременно происходят две реакции, и
использовать алгебраический способ решения.
Алгоритм 1
(Параллельные
реакции)
1. Составить
уравнения всех возможных реакций.
2. Найти количества
реагирующих веществ и по их соотношению определить уравнения
двух реакций, которые происходят
одновременно.
3. Обозначить
количество вещества одного из реагирующих
веществ в первом уравнении как
х моль,
во втором – умоль.
4. Выразить через х
и у количества веществ реагентов или
получившихся солей согласно молярным
соотношениям по уравнениям.
5. Составить и
решить систему уравнений с двумя неизвестными, найти
количества реагирующих веществ,
затем количества получившихся солей.
Далее решать задачу согласно
условию.
При более сложном для понимания,
но более глубоко раскрывающем химизм происходящих
процессов способе решения нужно
учитывать то, что в некоторых случаях продукты реакции зависят
от порядка смешивания веществ.
Нужно учитывать
последовательность реакций, протекающих при взаимодействии многоосновной
кислоты и щелочи. Так, при
постепенном добавлении гидроксида натрия к раствору фосфорной кислоты будут
протекать реакции:
H3PO4 +
NaOH = NaH2PO4 + H2O,
NaH2PO4 + NaOH = Na2HPO4 + H2O,
Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 + H2O.
При обратном же порядке смешивания
реагентов последовательность протекания и сами реакции будут иными:
3NaOH + H3PO4
= Na3PO4 + 3H2O,
2Na3PO4 + H3PO4 = 3Na2HPO4,
Na2HPO4 + H3PO4 = 2NaH2PO4.
При пропускании углекислого или
сернистого газов через раствор щелочи получается средняя
соль, т.к. вначале щелочь
находится в избытке. Затем по мере добавления оксида появляется его
избыток, он реагирует со средней солью,
которая частично превращается в кислую.
Алгоритм 2
(Последовательные
реакции. Нейтрализация щелочи)
1. Составить
уравнение реакции образования средней соли.
Количество вещества средней соли
и количество вещества прореагировавшей кислоты или кислотного оксида
рассчитывается по количеству вещества щелочи.
2. Найти количество
вещества избытка кислоты или кислотного оксида:
νизб = νисх – νпрор.
Составить уравнение реакции
избытка кислоты или оксида со средней солью.
3. По количеству
вещества избытка кислоты или кислотного оксида найти количество
вещества кислой соли и количество
прореагировавшей средней соли.
4. Найти количество
вещества оставшейся средней соли.
Задача 1. Газ, полученный при
сжигании 19,2 г серы в избытке кислорода, без остатка прореагировал с 682,5 мл 5%-го
раствора гидроксида натрия (плотность 1,055 г/мл).
Определите состав полученного раствора
и рассчитайте массовые доли веществ в этом растворе
Решение
1) Составим уравнения возможных
реакций:
S + O2 = SO2 (1)
1моль 1моль
SO2 + NaOH
= NaHSO3 , (2)
1моль 1моль 1моль
SO2 + 2NaOH
= Na2SO4 + H2O. (3)
1моль 2моль
1моль
2) Найдем количества вещества
реагентов:
ν(S) = m / M = 19,2
(г) / 32 (г/моль) = 0,6 моль;
ν(SO2) = 0,6 моль;
m(р-ра NaOH) = V(р-ра)
* ρ(р-ра) == 682,5 (мл) * 1,055 (г/мл) = 720,04 г,
m(NaOH) = m(р-ра)
* ω = 720,04 (г) * 0,05 = 36 г,
ν(NaOH) = m / М ==
36 (г) / 40 (г/моль) = 0,9 моль.
Сравним данные количества веществ
по уравнениям (2) и (3):
ν(SO2) : ν(NaOH) = 0,6
(моль) : 0,9 (моль) = 1 : 1,5.
Это свидетельствует о том, что в
полученном растворе будут находиться обе соли:
NaHSO3 и Na2SO3.
?