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+2NO + 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 + NH₃,
Zn(NO₃)₂ + 2NaOH = Zn(OH)₂ + 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:

746 мл газа составляют 0,033 моль, или по 0,0167 моль NO и NO₂. В реакцию вступило-0,01676 = 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 + 2NO + 4H₂O.

560 мл газа составляют 0,025 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 в %): (СО)₂ - 12,0; (СО) - 28,0; (Н₂) - 3,0; (СН₄) - 0,6; (С₂Н₄)-0,2;  (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)₃  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.)

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

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:

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 =	BaSO4 +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:

Таким образом, на нейтрализацию 0,01 моль H₂SO₄ требуется согласно уравнению реакции нейтрализации 0,02 моль NaOH, что составляет 400,02 =  0,8 (г). Масса раствора гидроксида натрия ( = 8%), пошедшего на нейтрализацию, равна 0,8100/8=10 (г) раствора, а объем раствора составляет 10/1,09 = 9,17 мл NaOH.

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

Находим массу КСlO₃, разложившегося по уравнению (1):

2122,5 г КСlO3 - 332 г О2

х г - "- - - - - "- - -"19,2 О2,

х = 49 г КС1О3.

При этом образовалось КС1:

274,5 г КС1 - 332 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:

4122,5 г КСlO3 - 74,5 г КСl,

49 г - "- - - -"- - - "  х г КСl,

х = 7,45 г КС1.

Масса образовавшегося КС1О₄:

4122,5 г КСlO3 --- 3138,5 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 - Na₂S₂O₃5H₂O - 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  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) = 2893-1310-3284 = -376 кДж.

Реакция идет с поглощением тепла.

6. FеС1₂ Fe + Cl₂ (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) =  0,12518,67 = 2,33(г).
NiSO4 : Э(Ni) = 58,7/2 = 29, 35	m(Ni) = 0,12529,35 = 3, 67(г).
CuSO4 : Э(Cu) = 64/2 = 32	m(Cu) = 0,12532 = 4(г)