«Стандартные алгоритмы решения нестандартных химических задач Учебное пособие для подготовки к олимпиадам школьников по химии Химический факультет Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова Высший ...»

0,01 моль CaCO3 вступил в последнюю реакцию. Рассчитаем количество CO2:

а) для осаждения kCO2 kCa(OH)2 kCaCO б) для растворения Всего nCO2 – 0,03 моль, следовательно, n = 3, т. е. углеводород – пропан C3H8.

Задачи:

1. (Задаче 50 лет, поборники угадайки начали свою работу уже тогда).

Кислород какой минимальной массы (г) необходим для полного в нем сгорания 32 г серы? Выберите правильный ответ: а) 16; б) 22; в) 28; г) 32.

2. В качестве азотных удобрений можно применять нитрат аммония NH4NO3 и карбамид (NH2)2CO. 1 кг карбамида стоит a рублей, а 1 кг нитрата аммония – b рублей, причем a>b. Считая, что растения усваивают азот полностью, определите, при каком соотношении a : b применение нитрата аммония станет более выгодным.

3. Оксид меди (II) массой 8 г обработали 20 мл 4,9 %-го раствора серной кислоты (плотность 1,03 г/см3). Полученный раствор отфильтровали, фильтрат упарили при 100 oC. Какое вещество было получено? Какова его масса?

4. Какой объем (л) оксида углерода (IV), измеренный при н.у., выделится при взаимодействии 1,8 г гидрокарбоната калия с 65 г 10 %-й серной кислоты?

5. Смесь аммиака и кислорода объемом 28 л прореагировала в присутствии катализатора. После реакции осталось 6 л кислорода. Определите состав исходной смеси. Измерения проводились при одинаковых условиях.

6. Определите массовую долю (в процентах) вещества в растворе, полученном при сливании m1 г раствора гидроксида бария с массовой долей C (%) и m2 г раствора серной кислоты с массовой долей C2 (%).

7. Гексен-1 массой 8,4 г смешали со 120 г 10 %-го раствора брома в тетрахлориде углерода. Определите количественный состав полученного раствора.

8. В литровую склянку, содержащую 100 мл 10 %-й соляной кислоты, при t = 21C было помещено 3,25 г цинка, после чего склянка была тотчас закупорена. Какое давление установится в склянке после окончания реакции, если температура не меняется (плотность кислоты принять равной 1 г/см3, начальное давление po=1 атм, а изменением объема жидкости и твердого вещества можно пренебречь).

Решения:

Ответ: г) 32 г.

Дальше должен следовать закономерный вопрос, который себе задают все сколько-нибудь грамотные химики при прочтении большей части заданий ЕГЭ: а что, собственно, имел в виду автор задания под «полным сгоранием»?

Если школьный учебник, то см. ответ выше. Но если реальную химию, то полное сгорание (условия не приведены, т.е. понимай как знаешь – например, сгорание в присутствии V2O5 или в озоне, что тоже элемент кислород, если задуматься) – это до SO3.

2. Применение нитрата аммония будет экономически оправданным тогда, когда часть стоимости, приходящейся на содержащийся в нем 1 кг азота, меньше стоимости 1 кг азота из (NH2)2CO. Стоимость 1 кг азота из нитрата аммония равна Стоимость 1 кг азота, содержащегося в карбамиде, равна Применение нитрата аммония становится более выгодным при соотношении 3. Уравнение реакции:

8 г CuO составляют 8/80 = 0,1 моль, 20•1,03•4,9/100 = 1,01 г – составляют 0,0103 моль H2SO4.

Таким образом, серная кислота содержится в недостатке. Было получено 0,0103 моль CuSO4. При упаривании образовался медный купорос:

CuSO4•5H2O массой 0,0103(160+90) = 2,575 (г).

4. Уравнение реакции:

H2SO4 + KHCO3 = KHSO4 + CO2- + H2O 1,8 г KHCO3 составляют 1,8/100 = 0,018 моль, 65 г 10%-й H2SO4 содержат 6.5 г кислоты, что составляет 0,066 моль. Таким образом, гидрокарбонат калия находится в недостатке. Из 0,018 моль KHCO получится 0,018 моль CO2, что при н.у. соответствует 22,4•0,018 = 0,4 (л).

5. Уравнение реакции:

2NO + O2 = 2NO2 (при охлаждении);

суммарное уравнение реакции:

Осталось 6 л, значит в реакцию вступило 28 – 6 = 22 л смеси, причем объемы прореагировавших NH3 и O2 относятся как 4 : 7. Таким образом, в реакцию вступило 8 л NH3 и 14 л O2.

Исходная смесь содержит 8 л аммиака и 20 л кислорода.

6. Уравнение реакции:

Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4 + 2H2O;

В m1 г раствора Ba(OH)2 находится m1•C1/100 г, или m1•C1/17100 моль основания. В растворе H2SO4 находится m2•C2/100 г, или m2•C2/9800 моль кислоты.

Если m1•C1/17100 < m2•C2/9800, то в растворе останется cерная кислота:

M(H2SO4)(m2C2 / 9800 – m1C 1 /17100) Если m1•C1/17100 > m2•C2/9800, то в растворе останется Ba(OH)2:

M(Ba(OH)2)(m1C1 /17100 – m2C2 / 9800) 7. Уравнение реакции:

CH2=CHCH2CH2CH2CH3 + Br2 = CH2Br–CHBrCH2CH2CH2CH3;

8.4 г гексена-1 составляют 0,1 моль;

120 г 10%-го раствора Br2 содержат 120 • 0,1 = 12 г Br2, или 0,075 моль.

Таким образом, гексен-1 содержится в избытке. Было получено 0,075 моль продукта присоединения. Масса полученного 1,2-дибромгексана составляет:

244 • 0,075 = 18,3 г.

на 65 г Zn требуется 236,5 г кислоты, на 3,25 г Zn требуется x г кислоты;

Раствор содержит 100•10/100 = 10 г HCl, т.е. кислота в избытке.

3,25 г Zn составляют 0,05 моль. Таким образом, выделится 0,05 моль H2.

Общее давление в склянке после реакции: 1 + 1,33 = 2,33 (атм).

2.2.4. Расчеты с использованием разности масс реагентов и продуктов реакции Если до сих пор у нас пропорция содержала цифры, которые отражали явно заданные величины, то для решения задач, в которых указывается разность масс реагентов и продуктов реакции, приходится вводить пропорцию, содержащую строки с мольными и массовыми соотношениями реагирующих веществ.

Рассмотрим условие задачи в общем виде.

В превращении веществ по реакции аА + bB = cC + dD, известна разность масс, например, веществ А и С: т(А) и т(С) = Dm(АС). Требуется определить, сколько вещества А вступило в реакцию с веществом В, т. е. найти m(А).

Как уже отмечено, пропорция содержит одну строку с мольными соотношениями и другую – с массовыми. При этом одна из указанных в пропорции строк отражает разницу в молярных массах, другая – в массах:

вступает в реакцию аМ(А) (г) вещества А – получается разница аМ(А) – cm(С);

вступает в реакцию m(А) г вещества А – получается разница Dm(АС);

отсюда Пример. Медную пластинку массой 20 г опустили в раствор нитрата ртути (II). Масса пластинки увеличилась на 2,73 г. После этого пластинку прокалили и она приобрела первоначальный вид. Как изменилась при этом масса пластинки?

Решение.

Уравнение реакции: Cu + Hg(NO3)2 = Cu(NO3)2 + Hg Изменение массы пластинки на 1 моль прореагировавшей меди равно 200,5 – 63,5 = 137 (г). Поэтому в реакцию вступило 2,73/137 = 0,02 моль меди.

При прокаливании вся ртуть испарится и масса пластинки по сравнению с первоначальной уменьшится на 0,02 – 63,5 = 1,27 (г).

Задачи 1. Металлическая пластинка массой 50 г после пребывания в растворе соляной кислоты уменьшилась в массе на 1,68%, при этом выделилось 0, л газа. Из какого металла может быть изготовлена пластинка?

2. Две пластинки одинаковой массы изготовлены из одного металла, степень окисления которого в соединениях равна 2. Пластинки опустили в растворы солей меди и серебра одинаковой молярной концентрации; через некоторое время вынули, высушили и взвесили (при этом весь выделенный металл осел на пластинках). Масса первой пластинки увеличилась на 0,8%, второй – на 16%. Из какого металла изготовлены пластинки?

3. При обжиге навески пирита ее масса уменьшилась на 20%. Определите состав (в массовых долях) образовавшейся смеси твердых веществ.

Решения 1. Уравнение реакции:

Потеря массы составила 50.0,0168 = 0,84 (г).

x г металла выделяют n/2.22,4 л Н2, Если металл одновалентный, т. е. n = 1, его атомная масса равна 28 (кремний).

Но кремний не растворяется в соляной кислоте и не может быть одновалентным. При n = 2 атомная масса равна 56, т. е. металл – железо. Можно проверить и варианты с n = 3, 4 и убедиться в том, что правильный ответ – только железо.

2. Вариант 1. Уравнения происходящих реакций:

Обозначим через А атомную массу металла.

Составим пропорцию по первому уравнению: если растворилось А г металла (1 моль), на пластинке осело бы 64 г меди и разница в массе сставила (64 – А) г; по условию в случае меди молярная разница (64 – А) г сответствует реальной разнице в 0,8%.

Аналогично в случае серебра молярная разница в (216-А) г соответствует реальной разнице в 16%. Имеем суммарную пропорцию, которая представляет собой правило креста, рассмотренное в предыдущих задачах:

(64 – А) г соответствует 0,8%, 0,8(216 – А) = 16(64 – А), отсюда А = 56.

Вариант 2. Эту задачу можно решить и более строгим математическим способом.

Обозначим массу пластинки через m (г). Пусть прореагировало х моль, или Mx г металла. Тогда выделилось x моль меди и 2x моль серебра, или 64x г меди и 216x г серебра. Увеличение массы первой пластинки (64x – Ax) г, второй – (216x – Ax) г.

По первому уравнению имеем:

(64x – Ax) г (увеличение массы) – 0,8%, По второму уравнению:

Разделим уравнение из первой пропорции на уравнение из второй:

0,8m/16m = (64x – Ax)/(216x – Ax), или 0,8/16 = (64 – A)/(216 – A), отсюда А = 56 (железо).

3. Уравнение реакции:

Пусть было (х + у) моль дисульфида железа, из которых у моль разложилось.

Тогда y (M (FeS2) - 1/2M (Fe2O3)) Масса х моль пирита равна 120x, а у/2 моль оксида железа(III) равна 80y = 120x.

Состав смеси:

120x $ 100 = 50 (%) дисульфида железа и 50% оксида железа(III).

2.2.5. Сравнение количественных данных нескольких процессов «Сообщение такого-то химика о такой-то реакции не подтвердилось в проверочных экспериментах». Эта фраза иногда 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%-ной 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 + 10HNO3 = 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 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). Определите концентрацию азотной кислоты и объяснить различия в результатах опыта.

Решение. Сине-зеленая жидкость, образующаяся при охлаждении газа, представляет собой N2О3; 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 HNO3 содержат 0,1 моль кислоты, Во втором опыте используют заведомо разбавленную HNO3 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 j в %): j(СО2) – 12,0; j(СО) – 28,0; j(Н2) – 3,0; j(СН4) – 0,6;

j(С2Н4) – 0,2; j(N2) – 56,2.

Рассчитайте, сколько потребуется воздуха (в м3) для полного сжигания 200 м 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%-ном избытке воздуха.

2. Какой объем 8%-го раствора гидроксида натрия (плотностью 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. Для реакции с навеской бинарного водородного соединения некоторого элемента требуется масса воды в 1,625 раза большая, чем для реакции с такой же навеской бинарного кислородного соединения этого элемента.

Определить элемент, написать уравнения реакций.

4. При нагревании 98 г бертолетовой соли (КСlO3) часть ее разложилась с выделением кислорода, а часть – с образованием хлорида калия и перхлората калия (КСlО4). Определите состав твердого остатка, если выделилось 19,2 г кислорода.

5. 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.

6. При образовании 1 моль воды из простых веществ выделяется 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.

7. Ток последовательно проходит через ряд электролизеров с водными растворами: а) CuSO4; б) NiSO4; в) Fe2(SO4)3; г)FeСl2. Каковы массы металлов, выделившихся 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):

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:

так как 0,233 г BaSO4 составляет 0,001 моль вещества.

Нейтрализация серной кислоты гидроксидом натрия:

В 10 мл серной кислоты –– 0,001 моль H2SO4, в 100 мл серной кислоты –– х моль H2SO4, Таким образом, на нейтрализацию 0,01 моль H2SO4 требуется согласно уравнению реакции нейтрализации 0,02 моль NaOH, что составляет 40.0,02 = 0, (г). Масса раствора гидроксида натрия (8%), пошедшего на нейтрализацию, равна 0,8.100/8 = 10 (г) раствора, а объем раствора составляет 10/1,09 = 9,17 мл NaOH.

При n = 1 получаем Na (NaH и Na2O2).

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

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):

При этом образовалось КСl:

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

4.122,5 г КСlO3 –– 74,5 г КСl, Масса образовавшегося КСlО4:

4.122,5 г КСlO3 –– 3.138,5 г КСlО4, Состав твердого остатка: 29,8 + 7,45 = 37,25 (г) КСl, 41,55 (г) КСlО4.

В растворе содержалось 0,0268. 11,2 = 0,3 моль соли с молярной массой 74,4/0,3 = 248.

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, поскольку получающиеся брутто-формулы не соответствуют реальным соединениям). Если металл Na, тогда соль – Na2S2O3.5H2O, тиосульфат натрия.

6. Н2 + 1/2О2 = H2О + 284 кДж;

С2Н2 + 5/2O2 = 2СO2 + Н2О + 1310 кДж;

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

Q = 2Q(CH4) – Q(C2H2) – 3Q(Н2) = 2. 893 – 1310 – 3. 284 = – 376 кДж.

Реакция идет с поглощением тепла.

7. FеС12 = Fe + Cl2 (на аноде – побочное образование Fe3+).

1,4 л 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, NiSO4: Э(Ni) = 58,7/2 = 29, 2.3. Расчеты по нескольким уравнениям химических реакций 2.3.1. Последовательно протекающие реакции (составление «стехиометрических схем»).

В задачах, представленных в настоящем разделе, требуется составить не одну, а две или более пропорций. Обычно школьники хорошо справляются с задачами, в которых требуется составить одну пропорцию, они иногда даже умеют преобразовать данные из условия в явный вид, но часто теряются и испытывают трудности, когда исходное вещество отстоит от продукта реакции на несколько уравнений происходящих процессов.

В следующем разделе будут случаи, когда параллельно происходит пара (или больше) реакций, а известна суммарная масса реагирующей (образующейся) смеси.

Первый случай:

Рассмотрим пример, когда условие задачи сформулировано в общем виде (все вещества известны).

«Из вещества E получают A, которое реагирует с веществом B с образованием продуктов C и D. Дается m(E) – масса вещества E. Требуется определить m(C) – массу вещества C».

Составим схемы превращений и напишем уравнение реакций:

По уравнению (1) составим пропорцию:

из eM(E) г вещества E образуется kM(A) г вещества A, из m(E) г вещества E образуется m(A) г вещества A, Из уравнения (2) имеем пропорцию:

из aM(A) г вещества A образуется cM(C) г вещества C, из m(A) г вещества A образуется m(C) г вещества C, Именно так каждый второй школьник подойдет к решению подобных задач сначала будет считать по первой реакции, затем по второй. А если стадий 10?

Используя элементарную математику, можно все это упростить.

Подставляя значение m(A), полученное из первой пропорции, в выражение для m(C) из второй, приходим к выражению:

Таким образом, исключив m(A) и M(A) из суммарного уравнения, мы выяснили, что рассчитывать m(A) (промежуточное соединение) совершенно нет необходимости. Это и есть то самое дополнительное неизвестное, которого следует избегать. Из последнего соотношения видно, что его можно было получить, приведя в соответствие коэффициенты обоих уравнений реакции и сложив их левые и правые части, как это всегда делают при уравнении окислительно-восстановительных реакций:

Отметим для поборников физического смысла данного сложения, что суммирование уравнений является формальной математической операцией и не подразумевает суммирования обоих уравнений химических реакций.

Исключив A и параметры, по которым не ведется расчет (B, D), получим стехиометрическую схему eE $ C, из которой легко получается выa ражение для m(C):

Можно показать, что задача с цепочкой из трех уравнений решается аналогично. Рассмотрим пример:

«Определить m(F), если имеется цепочка превращений:

и, кроме коэффициентов a – n, известна масса m(E)».

Решение этой задачи сводится к следующему. Домножим уравнение (2) на k/a, чтобы исключить A, а уравнение (3) на (k/a)(c/f), получаем Далее складываем все уравнения:

или Эту стехиометрическую схему можно распространить на какое угодно число стадий цепочки. В общем виде это выглядит так:

произведение коэффициентов в правых частях уравнений m (продукта) = _ х произведение коэффициентов в левых частях уравнений m(исходного).M(продукта) _.

Обратное соотношение имеет вид:

произведение коэффициентов в левых частях уравнений m (исходного) = х произведение коэффициентов в правых частях уравнений m(продукта).M(исходного _).

Расчет в молях приводит к аналогичному результату:

По уравнению (1):

По уравнению (2):

из x моль A образуется y моль C.

Как и в предыдущем случае, в результирующей формуле участвуют только коэффициенты при веществах, которые составляют саму цепочку, и отсутвуют промежуточные расчеты.

Пример 1. Определите массу бертолетовой соли, которую нужно разложить для выделения кислорода, необходимого для получения 10,2 г оксида алюминия из чистого металла.

Решение. Уравнения реакций:

По выведенным соотношениям стехиометрическая схема имеет вид:

2KClO3 2Al2O3, или KClO3 Al2O3;

Пример 2. Рассчитайте, сколько граммов н-гептана потребуется для получения из него толуола в результате циклизации и дегидрирования, так чтобы выделившегося при этом водорода было достаточно для гидрирования 42 г гексена-1. Сколько толуола при этом получается? Считать, что все реакции идут с количественным выходом.

Решение. Протекают реакции:

Гексена-1– 42/84 = 0,5 моль. Следовательно, H2 потребуется 0,5 моль. При этом образуется 0,5/4 = 0,125 моль толуола (0,125. 92 = 11,5 г), а для его получения требуется 0,125 моль н-гептана (0,125.100 = 12,5 г).

Пример 3. При полном разложении 98 г бертолетовой соли при определенной температуре выделилось 19,2 г кислорода. Определите состав твердого остатка.

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

M(KClO3) = 122,5 г/моль; M(KCl) = 74,5 г/моль;

M(O2) = 32 г/моль; M(KClO4) = 138,5 г/моль.

Находим массу KClO3, разложившегося по уравнению (1):

При этом образовалось KCl:

По уравнению (2) разложилось 98 – 49 = 49 г KClO3.

Находим массу образовавшегося KCl:

4•122,5 г KClO3 –– 74,5 г KCl, Масса образовавшегося KClO4:

4•122,5 г KClO3 –– 3•138,5 г KClO4, Всего в остатке: 29,8 + 7,45 = 37,25 г KCl и 41,55 г KClO4.

Задачи:

Оксид натрия массой 6.2 г растворили в 100 мл воды (раствор 1). Затем к раствору 1 приливали соляную кислоту с массовой долей 10 % до тех пор, пока реакция среды не стала нейтральной (получен раствор 2). Определите массовые доли веществ в растворах 1 и 2 и массу раствора соляной кислоты, пошедшей на нейтрализацию.

2. Сернистый газ, получившийся при сжигании 179,2 л сероводорода (н.у.), пропущен через 2 л 25 %-го раствора гидроксида натрия (=1,28 г/см3).

Каков состав образующейся соли и какова ее массовая доля в растворе в процентах?

3. Колонна синтеза аммиака дает 1500 т продукта в сутки. Сколько азотной кислоты 50%-ной концентрации можно теоретически получить из этого количества аммиака ?

4. В результате прокаливания 2 моль гидроксида трехвалентного металла выделилось a г оксида. Нагреванием а г гидроксида получили b г остатка; после прокаливания b г гидроксида масса остатка составила 82,76 г. Определите формулу гидроксида.

5. Для восстановления 3,2 г оксида металла требуется 1,344 л водорода.

При растворении полученного металла в избытке соляной кислоты выделяется 0,896 л водорода. Определите, какой это металл. Напишите уравнения всех упомянутых реакций. (Объемы газов измерены при н.у.).

6. Для получения уксусной кислоты в качестве исходного вещества был использован технический карбид кальция, содержащий 4% примесей. Какое количество карбида было израсходовано, если известно, что на нейтрализацию полученной уксусной кислоты потребовалось 240 г раствора гидроксида калия, содержащего 5,5 моль KOH в 1 л (плотность 1,20 г/см3)? Считать, что уксусная кислота образуется с выходом 100%.

7. Глицерин обрабатывали концентрированной азотной кислотой в присутствии водоотнимающего вещества. 100 г полученного вещества взорвали, а продукт реакции собрали и пропустили последовательно через растворы щелочи, концентрированной серной кислоты и над нагретой медной спиралью. Оставшийся газ собрали в мерный цилиндр над водой. Какой это газ?

Какова его масса и объем (н.у.)? Приведите необходимые уравнения реакций.

8. Пары пропилового спирта пропустили над оксидом алюминия при 300 C. На полученный продукт подействовали бромидом водорода, затем на образовавшееся вещество – металлическим натрием. Напишите уравнения происходящих реакций и рассчитайте, из какого количества пропилового спирта получится 43 г конечного продукта.

9. Через эквимолярную смесь азота и кислорода длительное время пропускали электрический разряд. Затем смесь медленно привели к комнатной температуре и мелкими частями смешали с небольшим избытком теплого раствора NaHCO3. В образовавшемся после реакции растворе практически не было нитрат-ионов, а объем отделившегося газа составлял 5/8 первоначального (объемы измерены в одних и тех же условиях). Определите, какая часть азота прореагировала.

Решения:

1. Оксид натрия реагирует с водой:

При нейтрализации гидроксида натрия соляной кислотой идет реакция:

Стехиометрическая схема:

Из 6,2/62 = 0,1 моль оксида натрия образуется 0,2 моль, или 0,2 • 40 = 8,0 г щелочи. Масса раствора 1 равна 100 • 1 + 6,2 = 106,2 (г), и, следовательно, массовая доля NaOH в нем равна:

На нейтрализацию потребуется 0,2 моль, или 0,2 • 36.5 = 7,3 (г) кислоты, которая содержится в (100/10) • 7.3 = 73 (г) ее раствора.

Масса раствора 2 равна 106,2 + 73 = 179,2 г. В нем растворено 0,2 моль, или 0,2 • 58.5 = 11,7 (г) поваренной соли с массовой долей 100 = 6.53 %.

2. Уравнения реакций:

SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O (при достаточном количестве NaOH) (1) Из 179,2 л H2S получается 179,2 л SO2, т. е. = 8 моль; раствор NaOH Следовательно, протекает реакция (1), и образуется соль Na2SO3 в количестве 8 моль; ее масса – 126 • 8 = 1008 (г). Масса раствора равна сумме массы раствора щелочи и массы добавленного сернистого газа: 2560 + 8 • 64 = 3072 (г).

Массовая доля соли равна (1008/3072) • 100 = 32,8 (%).

3. Напишем общую схему превращения аммиака в азотную кислоту:

Из схемы видно, что одна молекула NH3 дает одну молекулу HNO3. Поэтому нам даже без записи уравнений можно сразу определить массу 100 %-ной азотной кислоты:

50 %-ной HNO3 можно получить вдвое больше: 11106 т.

4. Запишем уравнение реакции разложения гидроксида металла:

Обозначим через х г массу 2 моль Me(OH)3; тогда 1 моль Me2O3 будет (х – 54) г.

Из x г Me(OH)3 образуется (х – 54) г Me2O3;

из (х – 54) г Me(OH)3 ––– (x – 54)2/x г Me2O3;

из (x – 54)2/x г Me(OH)3 ––– (x – 54)3/x2 г Me2O3;

M(Me(OH)3) = 206/2 = 103; А(Me) = 52; металл – хром.

5. Общие схемы реакций:

По условию, y n/2, т. е. степени окисления в оксиде и хлориде разные.

Соотношение объемов водорода равно 1,344/0,896 = 3/2. Отсюда, металл в оксиде имеет валентность 3, а при растворении в кислоте отдает 2 электрона (соотношение валентностей 6/4 маловероятно).

Уравнение реакции:

Было 1,344/22,4 = 0,06 моль водорода, восстановившего 0,02 моль оксида молярной массы 3,2/0,02 = 160 г/моль.

Решаем уравнение: 2A(M) + 3 • 16 = 160, откуда A(M) = 56.

Искомый металл – железо:

6. Уравнения реакций:

CH3COOH + KOH = CH3COOK + H2O Объем раствора 240/1,2 = 200 мл.

1,1 моль KOH нейтрализует 1,1 моль уксусной кислоты.

Суммарная схема получения кислоты:

Из 1 моль CaC2 получается 1 моль CH3COOH.

1,1 моль кислоты получается из 1,1 моль CaC2, что составляет 64 • 1,1 = 70,4 г чистого карбида кальция.

Масса израсходованного технического карбида кальция равна:

В мерный цилиндр собирают оставшийся азот.

Из 4 моль нитроглицерина образуется 6 моль азота;

8. Уравнения реакций:

Из 2 моль C3H7OH образуется 1 моль C6H14:

9. Первоначально азот окисляется до состояния +2, при наличии кислорода в охлажденной смеси образуются соединения азота +4.

Пусть был 1 моль азота, а прореагировало х моль, где x < 1.

Осталось по (1 – x) N2 и O2, получилось 2x NO.

Поскольку в конечном растворе не было нитрат-ионов, это значит, что не было и избытка O2 или NO2 в реакции (3).

Это же означает, что в реакции (2) израсходовался весь остаток кислорода, т.е.

уравнение (2) можно считать по O2, а уравнение (3) – по NO2.

Считаем. Реакция (2): Вошло в реакцию (1 – х) O2 и 2(1 – x) NO, получилось 2(1 – x) NO2, осталось 2x – 2(1 – x) NO.

Реакция (3): Вошло в реакцию 2(1 – x) NO2, и 2(1 – x) NO, получилось 2 • 2(1 – x) CO2, осталось 2(1 – x) NO.

Результирующая смесь состоит из остатка N2, остатка NO после реакций (2) + (3) и образовавшегося CO2:

2.3.2. Расчеты по уравнениям одновременно протекающих реакций.

В практической химической работе достаточно редко расчеты приходится вести только по одной конкретной химической реакции и по одному исходному веществу, масса которого известна. Значительно чаще в реальной лабораторной практике в реакции участвует смесь исходных веществ, каждое из которых вступает в свою химическую реакцию. Возникает задача – на основе суммарной массы образующихся продуктов определить массу одного из компонентов смеси. Поэтому следующий раздел посвящен расчетам на основе химических процессов, включающих в себя несколько параллельных (одновременно протекающих) химических реакций.

Подавляющее большинство задач, которые принято называть «задачами на смеси», включают две параллельные реакции двух исходных веществ (точнее, смеси из двух веществ), идущих с образованием двух продуктов реакции.

Представим эти две химические реакции в виде следующих общих схем:

где A, B, C, D, E, F, G, H – формулы химических веществ, a, b, c, d, e, f, g, h – соответствующие стехиометрические коэффициенты в уравнениях (1) и (2).

Из условия задачи известны масса исходной смеси веществ A и E (обозначим ее m1) и масса продуктов реакции веществ C и G (обозначим ее m2).

Требуется определить массу одного из компонентов исходной смеси (например, вещества A).

Решать задачу, как обычно, можно и в граммах, и в молях.

Разберем общее решение задачи, когда масса выражена в граммах. Запишем молекулярные массы всех необходимых для решения задачи веществ как M(A), M(E), M(C), и M(G). Далее выразим одну из масс смесей, например m2, через m1 и массу искомого компонента m(A), т.е. составим уравнение m2 = f(m1, m(A)).

Получим значение m(C) через m(A) согласно уравнению (1) из пропорции аналогично из уравнения (2) получим выражение для m(G):

Таким образом, m2 можно выразить через m1 и m(A):

Получим уравнение (3) с одним неизвестным m(A):

bM(B)cM(C)m(A)+aM(A)dM(D)[m1m(A)] = aM(A)bM(B)m2;

bM(B)cM(C)m(A)+aM(A)dM(D)m1aM(A)dM(D)m(A) = aM(A)bM(B)m2;

Вычисления упрощаются, когда количественные данные выражены в молях;

рассмотрим решение такой задачи также в общем виде. Суть решения сводится к тому, что, обозначив количества веществ A и E через «x» и «y» моль соответственно, необходимо составить два уравнения с двумя неизвестными, выразив m1 = f(x, y) из условия, а m2 = f(x, y) по уравнениям реакций.

В первом уравнении отражается условие задачи: масса A = xM(A), масса E = yM(E), их сумма – m1, т. е.

Во втором уравнении необходимо выразить количества C и соответственно «x» и «y» по уравнению (1):

из x моль A образуется cx/a моль C, По уравнению (2):

из y моль E образуется gy/e моль G.

Таким образом, из выведенных соотношений имеем, что вещества C получено cx/a моль, или cxM(C)/a г, а вещества G получено gy/e моль, или gyM(G)/e г.

В сумме получим m2:

Выведенные уравнения (5) и (6) представляют собой систему, которая обычно решается значительно быстрее, чем ранее выведенное уравнение (3), и дают результат, аналогичный (4). Следует отметить, что в любом случае решение задачи в молях предпочтительнее решения задачи в граммах. Кроме того, на практике чаще всего встречаются задачи, когда вещества C и G (см. уравнения (1) и (2)) представляют собой одно и то же вещество (например, газ либо осадок).

Рассмотрим примеры конкретных химических задач и их решения в граммах и молях.

Пример 1. Амальгаму натрия и алюминия массой 5,48 г обработали избытком соляной кислоты. При этом выделилось 1,12 л водорода (н.у.). Нерастворенное вещество отделили от раствора и взвесили. Его масса составила 4,02 г.

Определить массовый состав амальгамы (в процентах).

а. Решение (в граммах).

Остаток ртуть (4,02 г).

Масса натрия и алюминия составляет 5,48 – 4,02 = 1,46 (г).

Пусть амальгама содержит x г натрия и (1,46 – x) г алюминия.

Тогда в реакции (1) выделяется: x л H2, а в реакции (2) Всего 1,12 л H2. Запишем общее уравнение:

или отсюда x = 0,92 (г) Na, 1,46 – x = 0,54 (г) Al.

Hg.

б. Решение (в молях).

Пусть было x моль Na, y моль Al, или 23 x г Na, 27 y г Al. Учитывая, что суммарная масса натрия и алюминия равна 1,46 г (5,48 г амальгамы – 4,02 г Hg), запишем общее уравнение:

По уравнению (1) 2 моль натрия дают 1 моль водорода, x моль дают x/2 моль H2, или 11,2x л H2.

По уравнению (2) Суммарно водорода выделилось 1,12 л, таким образом, Теперь имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными:

отсюда x = 0,04 моль, или 0,92 г Na; y = 0,02 моль, или 0,54 г Al;

далее как в решении (a) находим массовый состав амальгамы.

Пример 2. Смесь цинка и безводного нитрата цинка прокалили на воздухе, ее масса при этом не изменилась. Определите массовые доли компонентов смеси.

Решение. При прокаливании происходят реакции:

M(Zn) = 65; M(ZnO) = 81; M(Zn(NO3)2) = 189.

Пусть масса цинка в смеси – m1, а масса нитрата цинка – m2. При окислении Zn образуется (81/65)m1 г ZnO. При разложении нитрата получается (81/189)m2 г ZnO. По условию задачи масса смеси после прокаливания не изменяется, следовательно:

1,24m1 + 0,43m2 = m1 + m2, откуда m1 = 2,37m2.

Таким образом, массовая доля нитрата цинка в смеси равна:

Пример 3. 11,32 г смеси перманганата калия и мела растворили в избытке соляной кислоты, при этом выделилось 3,36 л газообразных веществ.

Определите массовые доли компонентов исходной смеси. Напишите уравнения химических реакций. (Обьем газообразных веществ приведен к н.у.).

Решение.

Уравнения химических реакций:

2KMnO4 + 16HCl = 2MnCl2 + 2KCl + 5Cl2 + 8H2O, M(KMnO4) = 158; M(CaCO3) = 100.

Примем количество KMnO4 за x моль, а СaCO3 – за y моль. Тогда масса исходной смеси: 158x + 100y = 11,32 (г).

Объем выделившегося хлора: 5/2 • 22,4x (л).

Объем выделившегося CO2 – 22,4y (л).

Сумма: 5/2 • 22,4x + 22,4y = 3,36.

Получим систему уравнений с двумя неизвестными:

{ 5/2.22,4x + 22,4y = 3,36;

{ 158x –+ 250x0,15, = 11,32, Масса KMnO4 равна 158 • 0,04 = 6,32 (г); масса CaCO3 равна 100 • 0,05 = 5,0 (г) (сумма, по условию, 11,32 г).

w(KMnO4) = 6,32/11,32 • 100 = 55,83%;

w(CaCO3) = 5,0/11,32 • 100 = 44,16%.

Пример 4. Водный раствор 3,88 г смеси муравьиного и уксусного альдегидов обработали избытком аммиачного раствора оксида серебра. Выпавший при этом осадок отфильтровали, промыли водой и полностью растворили в концентрированной азотной кислоте. При этом выделилось 9,856 л газа (н.у.).

Определить процентный состав исходной смеси.

Решение:

Газа выделилось 9,856/22,4 = 0,44 моль. Значит, серебра было также 0, моль. Пусть в исходной смеси x (г) H2C=O и (3,88–x) (г) CH3CHO, или x/30 (моль) H2C=O и (3,88–x)/44 (моль) CH3CHO.

Реакции окисления этих альдегидов отличаются друг от друга; промежуточно образующаяся из муравьиного альдегида муравьиная кислота окисляется дальше – до CO2, который с NH3 образует соль; а окисление уксусного альдегида останавливается на кислоте:

H2C=O + 4[Ag(NH3)2]OH = 4Ag + (NH4)2CO3 + 6NH3 + 2H2O;

CH3CH=O + 2[Ag(NH3)2]OH = 2Ag + CH3COONH4 + 3NH3 + 2H2O.

Рассчитаем количество серебра по каждой из реакций и просуммируем:

x = 3,00 г H2C=O, тогда CH3CH=O: (3,88 – 3) = 0,88 г.

Таким образом, количество муравьиного и уксусного альдегида в смеси – 0, и 0,02 моль соответственно, что составляет 77,3 и 22,7 % по массе, или 83,3 и 16,7 мольных %, cоответственно.

Пример 5. Смесь метана с кислородом объемом 1,00 л подожжена электическим разрядом. В результате реакции сгорания выделилось 8,22 кДж теплоты.

Продукты взаимодействия пропущены через раствор щелочи, при этом 0,40 л газа осталось непоглощенным (объемы газов измерены при н. у.). Вычислите объемные доли метана и кислорода в исходной смеси, если известно, что теплоты образования метана, паров воды, оксида углерода(IV) и оксида углерода(II) равны соответственно 75, 242, 394 и 110 кДж/моль. Какие дополнительные ограничения следовало бы ввести в условия для более строгого решения задачи? Ответ мотивируйте.

Решение. Сгорание метана в избытке кислорода происходит с образованием СО2 и паров воды по уравнению:

Если бы оставшийся непоглощенным после реакции газ был кислородом, а СО2 и пары воды поглотились раствором щелочи, то по уравнению (1) должно было прореагировать 0,6 л смеси СН4 + 2O2 в соотношении 1:2. Полученное в этом случае содержание в смеси 0,2 л метана (20% по объему) должно согласовываться с термохимическими данными. Тепловой эффект реакции (1) равен Q1 = QобpCO2 + 2Qoбp.Н2O – Qoбр.CH4 = 394 + 2. 242 – 75 = 803 (кДж/моль), и при сгорании 0,2 л метана выделилось бы Q = 0,2. 803/22,4 = 7,12 кДж, что не согласуется с условиями задачи.

Следовательно, оставшийся непоглощенным газ не может быть кислородом.

При недостатке кислорода сгорание метана может приводить к образованию оксида углерода(II) и паров воды по уравнению:

Предположение о том, что оставшийся непоглощенным газ является СО (0,4 л СО образовались при реакции 0,4 л СН4 и 0,6 л O2 – сумма объемов совпадает с объемом смеси) также должно быть подтверждено термохимическим расчетом. Тепловой эффект реакции (2):

Q2 = Qo6p.CO + 2Qo6p.H2O – Qo6p.CH4 = 110 + 2.242 – 75 = 519 (кДж/моль).

При сгорании 0,4 л метана должно было выделиться Q = 519.0,4/22,4 = 9,23 (кДж), что также не согласуется с данными задачи.

Можно предположить, что кислорода в исходной смеси было недостаточно для полного сгорания метана, и что не поглощенный раствором щелочи газ представляет собой смесь метана и СО, т. е. реакция одновременно протекала по уравнениям (1) и (2), и к тому же часть метана не сгорела.

Расчеты в данном случае удобнее провести не на 1 л, а на 1 моль газовой смеси, пересчитав тепловой эффект сгорания 1 л на объем моля – 22,4 л:

Q = 8,22.22,4 = 184,2 (кДж) на моль смеси.

Составим систему алгебраических уравнений: пусть по уравнению (1) прореагировало х моль СН4 с 2х моль O2 и выделилось 803х кДж теплоты. По уравнению (2) прореагировало у моль СН4 с 1,5у моль O2, выделив 519у кДж теплоты и образовав у моль СО. При этом а моль метана не вступило в реакцию. В смеси было b моль O2, которые прореагировали полностью (b = 2х + 1,5у). Для 1 моль газовой смеси получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

х + у + а + и = 1 – число моль всех газов в исходной смеси 2х +1,5у = b – количество кислорода, вступившего в реакцию.

803х + 519у = 184,2 – количество теплоты, выделившейся при р-циях.

а + у = 0,4 – число молей образовавшегося СО и непрореагировавшего метана (непоглощенный раствором щелочи газ).

Решение этой системы уравнений с исключением а, х, у дает b = 0,5, т. е.

мольная (и объемная) доля СН4 в смеси составляет 50 %.

Для более строгого решения задачи следует оговорить, что рассматривается протекание реакций только по двум направлениям, что потерями тепла и наличием паров воды можно пренебречь, а также заменить нормальные условия на стандартные (или пересчитать тепловые эффекты на объемы при 25 °С).

Задачи:

1. При сжигании образца каменного угля массой 1 г получилось 0,25 г золы, 0,18 воды и 2,62 г смеси углекислого и сернистого газов. Сколько процентов серы содержал образец? Сколько сернистого газа в год выделяется при работе тепловой электростанции, потребляющей 1 млн. т такого угля в год?

2. При взаимодействии 6,05 г смеси порошков железа и цинка с избытком раствора хлорида меди(II) образуется 6,4 г металлической меди. Определите состав смеси.

3. Смесь двух веществ нагрели в токе оксида углерода(II). При этом образовалось два летучих продукта, один из которых можно сконденсировать при охлаждении льдом в светлую, разлагающуюся на воздухе жидкость. Для определения состава ее запаяли в вакууме в две предварительно взвешенные ампулы объемом 1,00 мл каждая (разность результатов взвешиваний 1,63 мг и 4,45 мг соответственно), затем каждую ампулу поместили в отдельные сосуды, содержащие избыток кислорода, разбили, а содержимое сожгли. После приведения системы к исходным условиям (1 атм, 25 °С) оказалось, что объемы газов в сосудах возросли на 0,604 мл и 1,208 мл соответственно. В составе продуктов обнаружено лишь два вещества: А (1,23 мг в первом сосуде и 2,46 во втором) и Б, которое реагирует с баритовой водой с образованием белого осадка.. Известно также, что 1,23 мг А способны прореагировать с 0,400 мл водорода (1 атм, 25 °С). Определите возможный состав исходной смеси. Объемом стенок ампулы можно пренебречь.

4. Смесь ацетилена и водорода массой 27 г сожгли в кислороде. После охлаждения продуктов сгорания до комнатной температуры сконденсировалось 27 мл воды. Определите состав газовой смеси.

5. Смесь равных по массе количеств цинка и карбоната кальция обработали избытком раствора соляной кислоты. Расcчитайте среднюю плотность образующейся смеси газов (г/л).

При термическом разложении (150 – 180 oC) 100,0 г смеси нитрата и нитрита аммония выделилось 47,69 г газообразных продуктов (н.у.).

Определите состав смеси.

7. Для полного восстановления 200 мл смеси оксида азота(I) и оксида азота(IV) до азота было использовано 300 мл водорода. После окончания реакции, конденсации паров воды и приведения смеси к начальным условиям общий объем составил 225 мл. Определите состав взятой смеси.

8. К смеси азота, водорода и метана объемом 130 мл добавили 200 мл кислорода, а затем смесь подожгли. После окончания горения и конденсации паров воды общий объем полученной смеси газов составил 114 мл при тех же условиях, а после пропускания продуктов сгорания через избыток раствора щелочи объем уменьшился до 72 мл. Найти исходные объемы азота, водорода и метана.

9. Сплав состоит из рубидия и еще одного щелочного металла. При взаимодействии 4,6 г сплава с водой получено 2,241 л водорода (н.у.). Какой металл является вторым компонентом сплава? Каковы массовые доли (%) компонентов сплава?

10. Над смесью металла с его оксидом пропустили водород до полного восстановления оксида, а продукт реакции растворили в разбавленной серной кислоте. Объем выделившегося при этом водорода равен объему водорода, пошедшего на восстановление исходной смеси (объемы измерены при одинаковых условиях). Какие металлы и оксиды удовлетворяют условию задачи?

Приведите примеры таких смесей, рассчитайте в этих примерах молярные соотношения металла и его оксида.

11. Образец, содержащий хлориды натрия и калия, имеет массу 25 г. К водному раствору образца прибавили 840 мл раствора AgNO3 (0,5 моль/л).

Осадок отфильтровали, после чего опустили в раствор медную пластинку массой 100,00 г. Через некоторое время масса пластинки составила 101,52 г.

Рассчитайте массовые доли компонентов исходной смеси.

12. При прокаливании смеси безводных солей гидрокарбоната и карбоната натрия до постоянной массы выделяется газ, объем которого составляет 60% объема газа, выделяющегося при действии соляной кислоты на полученный остаток. Вычислите молярное соотношение солей в исходной смеси.

13. Смесь нитратов натрия и серебра прокалили, а выделившиеся газы пропустили в воду. При этом объем газов уменьшился в 3 раза. Определите массовый состав исходной смеси.

14. Предполагают, что смесь металлических опилок содержит магний, алюминий и олово. При растворении 0,75 г опилок в соляной кислоте выделилось 0,784 л водорода (н.у.). При сжигании такой же навески в токе кислорода образовалось 1,31 г оксидов. Установите процентный состав исходной смеси.

15. Магний массой 19,2 г сожгли на воздухе. Для растворения полученного вещества понадобилось 320,7 г 20,5%-го раствора HCl. Раствор выпарили и осадок прокалили, конденсируя летучие вещества. Определите качественный состав конденсата.

16. Через 22,4 л смеси водорода, кислорода и хлора (н.у.) пропустили электрический разряд. После охлаждения продуктов реакции в сосуде обнаружили газ и жидкость. На нейтрализацию жидкости пошло 1,6 г гидроксида натрия. Оставшийся в сосуде после реакции газ полностью прореагировал с нагретым оксидом меди (II), причем масса последнего уменьшилась на 0,96 г.

Определите объемные доли газов, составляющих исходную смесь.

17. Смесь газообразных хлора и хлороводорода объемом 22,4 л пропустили над нагретыми железными опилками. Масса опилок увеличилась при этом на 42,6 г. Определите состав исходной смеси.

18. Имеется сплав двух металлов, взятых в молярном соотношении 1:1.

При растворении в избытке соляной кислоты навески сплава массой 1,02 г или при обработке 1,7 г сплава избытком нагретого раствора NaOH получается один и тот же объем водорода (1120 мл). Из каких металлов состоит сплав, каков его процентный состав? Что можно сказать о химических свойствах этих металлов, исходя из положения в Периодической системе Д.И. Менделеева?

19. Смесь хлоридов магния, железа (III) и меди (II) растворили в воде.

Масса осадка, образовавшегося при добавлении избытка сульфида натрия к этому раствору, в 2,51 раза больше, чем при в него пропускании избытка сероводорода. Если в растворе заменить хлорид железа (III) на хлорид железа (II), отношение масс осадков станет равно 3,36. Определите состав смеси хлоридов в массовых долях. Напишите уравнения химических реакций, протекающих в растворах хлоридов при действии на них сульфида натрия и сероводорода.

20. Смесь кальция и алюминия массой 18,8 г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита; продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось 11,2 л газа. Определите состав смеси.

21. Смесь порошков магния и железа массой 6,24 г разделили на две равные части. Одну часть сожгли в кислороде и получили 4,72 г продуктов сгорания. Вторую сожгли на воздухе и к продуктам сгорания (их масса оказалась равной 4.52 г) прилили раствор гидроксида натрия. Какой газ и в каком объеме выделился при этом? Приведите уравнения химических реакций.

22. Смесь метана и ацетилена объемом 20 мл сожгли в избытке кислорода, при этом образовалось 32 мл CO2. Определите состав исходной смеси в объемных долях.

23. К раствору 13,95 г смеси свежеполученных хлорида и бромида хрома (II) прибавили избыток раствора нитрата серебра. Выпавший осадок имел массу 32,99 г. Определите количественный состав исходной смеси.

24. При внесении в избыток воды 10 г сплава рубидия с цинком выделилось 1,12 л газа (в пересчете на нормальные условия). Определите состав сплава в процентах по массе.

25. При полном разложении при высокой температуре 54 г нитрита, нитрата и бихромата аммония получено 15,2 г твердого остатка. При этом выделилось 11,2 л газа (н.у.). Определить массы компонентов исходной смеси.

26. При окислении 38 г смеси бензола, стирола и изопропилбензола подкисленным раствором перманганата калия образовалось 24,4 г бензойной кислоты и выделилось 6,72 л углекислого газа. Определите количественный состав смеси.

27. Смесь, состоящая из пропадиена, пропена, пентадиена-1,4, 1-винилциклопентена-1, при исчерпывающем каталитическом гидрировании поглощает объем водорода, равный половине объема углекислого газа (н.у.), образующегося при сжигании такого же количества смеси. Определить объемное содержание пропадиена в парах этой смеси.

28. При полном сгорании 2,72 г смеси двух гомологов предельных углеводородов, отличающихся по своему составу на два атома углерода, было получено 8,36 г диоксида углерода. Какие углеводороды и в каких количествах были смешаны? Можно ли найти общий метод решения подобной задачи для смесей двух гомологов, отличающихся на k атомов углерода?

29. Смесь двух твердых простых веществ массой 1,52 г обработали избытком соляной кислоты. В результате реакции выделилось 0,896 л газа и осталось 0,56 г нерастворенного вещества.

Такую же навеску смеси обработали избытком 10%-ного раствора NaOH. В этом случае также выделилось 0,896 л газа, а масса твердого остатка составила 0,96 г.

В третьем эксперименте такую же навеску смеси црокаливали в отсутствие воздуха. Получено вещество, полностью растворимое в соляной кислоте с выделением 0,448 л неизвестного газа. Газ собрали и поместили в однолитровый закрытый сосуд, наполненный кислородом. После взаимодействия неизвестного газа с кислородом давление в сосуде уменьшилось приблизитель¬но в 10 раз.

Напишите уравнения описанных реакций и подтвердите их правильность соответствующими расчетами. При решении задачи считайте, что объемы газов измерены при н.у., и округляйте значения относительных атомных масс до целых чисел.

Решения:

1. Негорючих примесей и водорода в 1 г угля содержится:

0,25 + 0,02 = 0,27 г; серы и углерода 1–0,27 = 0,73 г.

Если углерода x г, то серы (0,73–x) г.

Составим уравнение:

x = 0,70 г углерода и 0,03 г (3%) серы.

При сжигании 1 млн. т угля сгорает 1000000•0,03 = 30000 т серы и образуется (64/32)•30000 = 60000 т сернистого газа в год.

2. Уравнения реакций:

Ar(Fe) = 56; Ar(Zn) = 65; Ar(Cu) = 64.

Из уравнений реакций имеем:

Поскольку масса смеси порошков железа и цинка, вступивших в реакцию, равна 6,05 г, то можно записать первое уравнение:

В результате двух реакций образуется (x+y) моль меди, или 64(x+y) = 6,4 г.

Получили систему уравнений:

решая которую получаем:

x = 0,05 моль и y = 0,05 моль, или 2,8 г Fe и 3,25 г Zn.

3. Исходя из относительных количеств А и Н2, вступающих в реакцию, определим эквивалент А: 37,6. Это близко к эквиваленту хлора (валентность 1) или никеля (валентность 2) в его соединении с кислородом. Возможный вариант также – оксид олова (IV). Очевидно, Б - углекислый газ, дающий с баритовой водой белый осадок карбоната бария.

Таким образом, летучая жидкость – углеродсодержащее соединение хлора, никеля или олова, обладающее высокой летучестью. Судя по методу его получения, оно может также включать в свой состав и кислород.

Возможная ошибка при решении задачи – неучет массы воздуха, т.е. архимедовой силы, действующей на ампулу с жидкостью при взвешивании.

Необходимо учесть эту силу, действующую на тело объемом 1,00 мл в воздухе с плотностью 29.273/(298.22400) = 1,186 мг/мл при 25°С и равную 1,63 + 1, = 2,816 мг. O необходимости учета этой силы свидетельствует и отношение навесок жидкости (не равное 2), при сжигании которых образуются одни и те же продукты в соотношении 1:2.

Запишем формулу жидкости в виде Э(CO)n, где п - некоторое целое число.

Ecли Э – хлор, выделившийся после сжигания навески в виде газа, то n может быть равно и 0,5.

Уравнение реакции сжигания жидкости для этого случая приводит к следующим соотношениям:

(n + 1)х/2 = 0,604.273/(298.22,4);

здесь х - число миллиграмм-эквивалентов вещества Э.

Первый вариант, когда при окислении жидкости получается Э2 – газ, соответствует одному из трех возможных Э – хлору. Подстановка Э = 35,5 в эти уравнения приводит к отрицательным n, что абсурдно.

Другой вариант соответствует твердому веществу А – оксиду. Тогда уравнения следует записать в виде:

Э2(СO)2n + (n + 0,5)O2 = Э2O + 2nCO х(Э +28n) = 2,816 и (n – 0,5).0,5х = 0,604.273/(298.22,4).

Отсюда Э + 28,5 = 29n. Подставляя возможные значения Э, равные 29,5 (никель, А – оксид никеля NiO) и (олово, А – оксид олова SnO2), получаем n = и формулы для летучей жидкости: Ni(CO)4 и Sn(CO)8.

Октакарбонила олова не существует, поэтому единственный вариант, отвечающий условиям задачи – тетракарбонил никеля. Смесь, из которой получается летучий тетракарбонил, должна содержать либо металлический никель в смеси с веществом – источником второго неконденсируемого летучего продукта, например СO2, либо один из оксидов никеля в смеси с инертным веществом. В этом случае газовая смесь также содержала бы смесь паров тетракарбонила никеля и СO2.

Итак, возможны 2 варианта исходной смеси: никель и некоторый оксид (металла) или оксид никеля с инертной примесью.

Уравнения реакций:

4. Уравнения реакций:

Пусть в смеси было x моль водорода и y моль ацетилена.

Тогда масса исходной смеси:

2x + 26y = 27 (первое уравнение системы).

По уравнениям реакций: из x моль H2 получаем x моль H2O, из yмоль C2H2 – y моль H2O. Суммируя, получаем второе уравнение системы:

5. Пусть цинка было x моль, карбоната кальция – y моль, массы соответственно равны 65•x и 100•y. По условию 65x=100y, y=0,65x.

Получается водорода x моль, или 2x г; CO2 – y моль, или 44y г.

Масса полученной смеси газов: (2x + 44y) г; объем: 22,4(x + y) л;

Средняя плотность:

Подставляя y = 0,65x, получим 6. Для решения задачи необходимо:

a. Записать уравнения разложения NH4NO3 и NH4NO2:

b. Составить систему из двух уравнений:

m(NH4NO3) + m(NH4NO2) = 100. m(NH4NO3) • M(N2O)/M(NH4NO3) + m(NH4NO2) • M(N2)/M(NH4NO2) = 47. c. Решить систему уравнений.

Ответ: m(NH4NO3) = 35.0 г; m(NH4NO2) = 65.0 г.

7. Уравнения реакций:

Как видно из уравнений реакций, объем образовавшегося азота не может быть больше начального объема смеси оксидов азота, если количество водорода соответствует этим уравнениям. Но, по условиям задачи, конечный объем (225 мл) больше начального (200 мл), что указывает на избыток водорода и полное протекание реакции.

Пусть в исходной смеси было x мл оксида азота (I) и y мл оксида азота (IV).

Начальный объем смеси x + y = 200 мл.

Для выражения конечного объема смеси запишем следующие уравнения:

1) Конечная смесь состоит из избыточного водорода и азота. Объем азота равен x+0,5y, что следует из уравнений реакции.

2) Объем прореагировавшего водорода равен x + 2y, а его избыток 300–x–2y, отсюда конечный объем смеси равен Объем оксида азота (I) – 150 мл, объем оксида азота (IV) – 50 мл.

8. Уравнения реакций Согласно уравнениям реакций в результате горения первоначальный объем смеси водорода и метана уменьшается. По условию задачи, начальный объем смеси равен 130 мл, а общий объем после сгорания – 144 мл.

Так как азот не вступает в реакцию и его объем не меняется, прирост объема достигается за счет избыточного кислорода. Следовательно, кислород был в избытке и реакции горения прошли до конца.

Объем смеси после горения:

Отсюда V(H2) = 28 мл, V(N2) = 130 – 72 – 28 = 30 мл.

9. Уравнение реакции:

M – щелочной металл; (H2) = 0,1 моль; (M) = 0,2 моль; средняя молярная масса: Мср = m/ = 4,6/0,2 = 23 г/моль (соответствует атомной массе натрия).

Из чего следует, что вторым компонентом сплава может быть только щелочный металл с относительной массой меньше 23, это-литий; сплав состоит из рубидия и лития.

(Rb)M(Rb) + (Li)M(Li) = 4.6;

(Rb)M(Rb) + (0,2–(Rb))M(Li) = 4.6;

(Rb)•85,5 + (0,2–(Rb))•7 = 4.6;

(Rb) = 0,0408 (моль); (Li) = 0,1592 (моль).

Таким образом, состав смеси:

10. А(Cu)=63,5, A(Ag)=108, Пусть x – масса осажденного серебра, y – масса растворенной меди.

Масса нитрата серебра: (840/1000) • 0,5 • 170=71,4 г AgNO3, Масса серебра, пошедшего на осаждение:

Масса хлорида:

M(NaCl) = 58,5, M(KCl) = 74,6.

Пусть z - масса NaCl в смеси, k - масса KCl в смеси;

z г NaCl содержит 35,5/58,5x Cl–;

k г KCl –– 35,5/74,6x Cl–;

Откуда z=17,6 г NaCl, или 70,2%;

9. Смесь должна удовлетворять следующим условиям:

а) металл должен реагировать с разбавленной серной кислотой, а его оксид – полностью восстанавливаться водородом;

б) металл в оксиде должен иметь бoльшую положительную степень окисления, чем в сульфате, полученном при реакции металла с H2SO4.

Примеры смесей:

1) Sn и SnO SnO2+2H2 = Sn+2H2O, Молярное соотношение 1:1.

2) Fe и Fe2O Fe2O3+3H2 = 2Fe+3H2O, 1моль Fe2O3 при восстановлении образует 2 моль Fe, при растворении которых в H2SO4 образуется 2 моль H2. 1 моль Fe при растворении в H2SO4 образует 1 моль водорода. Всего образуется 3 моль H2. Следовательно, молярное отношение металла и оксида в смеси 1:1.

3) Fe и Fe3O Fe3O4+4H2 = 3Fe+4H2O, 1 моль Fe3O4 образует 3 моль Fe, 3 моль Fe восстанавливают 3 моль H2 из H2SO4, поэтому молярное отношение металла и оксида в смеси - 1:1.

В и Г – NH4NO2 и NH4NO3, 2NH3+2NO2+H2O = NH4NO2+NH4NO3, Д, Е – N2, N2O NH4NO2/NH4NO3 = N2+N2O+4H2O, комн.т-ра:

12. Прокаливание:

Обработка остатка HQ:

Пусть в смеси на 1 моль NaHCO3 приходится х моль Na2CO3. При прокаливании из 1 моль NaHCO3 образуется 0,5 моль CO2, а в остатке содержится (0,5 + х) моль Na2CO3.

По условию: V1(CO2) = 0.6V2(CO2); т.е. n1(CO2) = 0.6 n2(CO2);

Молярное соотношение NaHCO3 и Na2CO3 в исходной смеси составит:

13. Уравнения реакций:

При пропускании NO2 и O2 в воду оксид азота (IV) поглощается полностью (так как кислород, согласно уравнениям реакции, в избытке):

Первоначально было (x+x/2+y/2) моль газа, затем (x+x/4) моль поглотилось.

Отсюда x+x/4 = 2/3(x+x/2+y/2), или y = 3/4x.

Итак, в смеси было 170 x г AgNO3 и 85•3/4x = 63,75x г NaNO3, что составляет 72,72% AgNO3 и 27,28% NaNO3.

14. Пусть в смеси x г магния, y г алюминия и z г олова (или, соответственно, x/24, y/27 и z/118,7 моль каждого металла).

Из уравнений следует:

1 моль магния вытесняет 22,4 л водорода, x/24 моль магния вытесняет (x/24)•22,4/1 л водорода.

Аналогично для алюминия и олова, а также для реакций окисления:

1 моль магния образует 40 г оксида, x/24 моль магния образует (x/25)•40/1 г оксида.

Запишем систему уравнений:

x/24•22,4 + y/27•1,5•22,4 + z/118,7•22,4 = 0, x/24•40 + y/27•51 + z/118,7•150,7 = 1, Решая эту систему, получаем x = 0,48 г магния, y = 0,27 г алюминия, олово в смеси отсутствует (z=0).

15. Оксид магния растворяется в кислоте:

при этом использовали 320,7•0,205 = 65,74 г HCl, или 1,80 моль. Для растворения 19,2/24 = 0,8 моль магния требуется 1,60 моль соляной кислоты.

Поскольку кислоты оказалось на 0,20 моль больше, то в продуктах горения должно быть еще какое-либо соединение, содержащее магний. Таким соединением, по-видимому, может быть нитрид магния Mg3N2, образующийся наряду с оксидом при горении магния на воздухе:

При растворении нитрида в кислоте:

Mg3N2 + 8HCl = 3MgCl2 + 2NH4Cl.

При прокаливании продуктов будет идти реакция:

2MgCl2 + H2O = (MgCl)2O + 2HCl.

В конденсате присутствуют NH4Cl; HCl и H2O.

16. Уравнения реакций:

На нейтрализацию HCl пошло 1,6 г NaOH, что составляет 0,04 моль.

Следовательно, (HCl) = 0,04 моль. На образование HCl пошло по 0,02 моль H2 и Cl2. С оксидом меди прореагировал избыток H2:

x=0,06 моль водорода.

На образование воды пошло 1–(0,06+0,02+0,02)=0,9 моль газов, из них: 0,6 моль H2 и 0,3 моль O2.

Таким образом, состав смеси (л):

Cl2 – 0,448 (2%); O2 – 6.72 (30%); H2 – 15.232 (68%).

17. Возможные реакции:

Обозначим через x моль – количество хлора, (1–x) моль – количество HCl в смеси. Тогда 71•x г – масса хлора, а 36,5(1–x) г масса хлороводорода. Так как масса железных опилок при прокаливании в смеси хлора и хлороводорода увеличилась на 42,6 г, то можно записать следующее соотношение:

71x + 36,5(1–x) – (1–x) = 42,6.

Отсюда x = 0,2 моль хлора (4,48 л), а хлороводорода было 1–x=0,8 моль (17. л). Поскольку в избытке в смеси хлороводород (а не хлор), то реакция (3) не идет.

18. Исходя из условия задачи, можно прийти к выводу, что с кислотой реагируют оба металла, а со щелочью – один, т.е. один из металлов, образующих сплав, амфотерный.

1-й вариант решения.

Для решения задачи следует определить понятие эквивалента. Эквивалентом химического элемента называют такое его количество, которое соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. 1120 мл соответствует 0,1 моль атомов водорода. Таким образом, в 1,7 г сплава содержится 0,1 эквивалента амфотерного металла, а в 1,02 г содержится в сумме 0,1 эквивалента обоих металлов, т.е. 1,02/1,7=0, эквивалента амфотерного металла и, соответственно, 0,04 эквивалента другого металла. Учитывая это, а также то, что металлы в сплаве содержатся в эквимолярном соотношении, получаем, что валентности металлов относятся как 2:3, причем амфотерный металл – трехвалентный. В итоге приходим к уравнению 0,06x + 0,04y = 1,02, где x и y – значения эквивалентов, или 3x + 2y = 51, причем 3x = A(M1); 2y = A(M2), т.е. сумма атомных масс металлов равна 51. Из Периодической таблицы находим, что это алюминий и магний.

Далее легко найти процентный состав сплава: 53% алюминия и 47% магния.

2-й вариант решения:

Объем Н2, выделяемого вторым металлом из кислоты:

1120.1,02/1,7 = 672 мл, следовательно, первым: 1120 – 672 = 448 мл.

Отношение валентностей V1(H2)/V2(H2) = B1/B2 = 448/672 = 2:3 (малые (1–3) целые числа). Следовательно, валентности металлов: 2 и 3. Отсюда объем водорода из кислоты, если количества металлов составляли по n моль, равен:

(A1+A2).0,02 = 1,02, Далее –как в первом решении.

19. При пропускании сероводорода в раствор смеси хлоридов: магния (a моль), железа (III) (b моль) и меди (II) (1–a–b) моль:

(масса осадка 32b/2 = 16b);

(масса осадка 96–96a–96b).

Общая масса осадка: (96–96a–80b)г.

При добавлении сероводорода к смеси хлоридов магния (a моль), железа (II) (162,5/127)b = 1,28b и меди (II) (1–a–b) моль:

(масса осадка 96 – 96a – 96b).

Общая масса осадка: (96 – 96a – 96b) г.

При добавлении сульфида натрия:

MgCl2 + Na2S + 2H2O = Mg(OH)2 + H2S + 2NaCl (масса осадка 58a);

масса осадка 1,28b•88);

(масса осадка 96 – 96a – 96b).

Общая масса осадка: (96 – 38a + 16,6b) г решаем систему уравнений (1) и (2);

a = 0,2 моль MgCl2; b = 0,5 моль FeCl2, c = 0,3 моль CuCl Находим состав смеси:

w(CuCl 2) = 100 - 13,50 - 57,72 = 28,78% 20. Даже если бы весь газ (11,2 л) состоял из C2H2, в нем было бы только 12 г С, следовательно, углерод в избытке.

Происходящие реакции:

Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH Стехиометрические схемы:

Выделилось x моль CH4 и (0,5 – x) моль C2H2, которые образовались из (1/3)x моль Al4C3 и (0,5 – x) моль CaC2, соответственно;

эти количества карбида получены из (4/3)x моль Al и (0,5 – x) моль Ca, соотвественно.

Отсюда:

т. е. исходная смесь содержала 0,4 моль Al (10,8 г) и 0,2 моль Ca (8 г).

21. В кислороде оба металла сгорают однозначно:

Пусть магния было x моль, железа y моль, тогда масса смеси масса продукта сгорания Решая систему уравнений, находим В воздухе магний частично реагирует с азотом, образуя нитрид магния:

Пусть с азотом прореагировало z моль магния, а с кислородом (0,06 – z) моль магния; тогда массу продуктов сгорания можно выразить следующим образом:

4,52 = (0,06 – z). 40 + z/3. 100 + (232/3). 0, Из 0,03 моль магния образуется 0,01 моль нитрида магния, из которого под действием воды выделяется 0,02 моль аммиака:

Mg3N2 + 3H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH Объем аммиака V = 0,02 моль. 22,4 л/моль = 0,448 л (н.у.).

22. При сгорании происходят процессы:

Соотношение объемов CH4 : CO2 = 1 : 1, а в случае ацетилена – C2H2:CO2 = 1:2, т.е. на каждый 1 моль ацетилена приходится 1 моль избытка углекислого газа. Объем продуктов превышает объем исходной смеси на 32 – 20 = 12 мл, значит, и ацетилена было 12 мл, а метана – 8 мл, что составляет 60 и 40 % соответственно.

23. Уравнения реакций:

CrCl2 + 2AgNO3 = Cr(NO3)2 + 2AgCl Cr(NO3)2 + AgNO3 = Cr(NO3)3 + Ag или в сумме CrCl2 + 3AgNO3 = Cr(NO3)3 + 2AgCl + Ag Аналогично CrBr2 + 3AgNO3 = Cr(NO3)3 + 2AgBr + Ag Предположим, что в смеси было x г CrCl2 и (13,95 – x) г CrBr2.

Считаем реакции протекающими количественно:

123 г CrCl2 при реакции образуют 395 г осадка AgCl и Ag x г CrCl2 при реакции образуют (395/123). x г осадка AgCl и Ag 212 г CrBr2 при реакции образуют 484 г осадка AgBr и Ag (13,95 – x) г при реакции образуют (484/212). x г осадка AgBr и Ag Составим уравнение:

(395/123). x + 484/212. (13,95 – x) = 32,99, Итак, в смеси было 1,23 г CrCl2 (0,01 моль) и 12,72 г CrBr2 (0,06 моль).

24. При реакции рубидия с водой выделяется водород и образуется раствор щелочи:

Предположим, инерция мышления не позволяет нам вспомнить, что такой раствор реагирует с цинком, тогла путем элементарных расчетов получаем состав смеси: 85,5 % Rb, 14,5 % Zn, и получаем свои 4 балла из 10 по разбалловке.

На самом деле цинк растворяется в растворе шелочи:

Количество реагирующего цинка определяется количеством гидроксида рубидия, т.е. металлического рубидия в исходной смеси.

Цинк прореагирует полностью, если у 2х. При этом условии состав сплава может быть рассчитан решением системы уравнений:

Получается x = 0,127 и у = – 0,0135, т.е. в смеси отрицательное количество цинка, и вариант с полным растворением цинка не проходит.

Следовательно, у > 2х. Для определения состава сплава можно составить формально-суммарное уравнение реакции:

при этом, как мы уже выяснили, весь RbOH расходуется на реакцию с цинком и водой. В соответствии с этим уравнением 2•85,5 г Rb и 65 г Zn выделяют 44,8л H откуда х = 4,275 г Rb и 1,625 г Zn, или в сумме 5,9 г, остальное количество (10 – 5,9 = 4,1) приходится на цинк, оставшийся после реакции (2).

Состав сплава – 42,5 % рубидия и 57,25 % цинка. Об оценке неполного ответа, когда не учитывается реакция (2), см. выше.

25. Реакции разложения:

Поскольку единственное твердое вещество, остающееся после прокаливания, это оксид хрома(III), то можно посчитать, сколько бихромата аммония было в исходной смеси и сколько азота из него получилось:

Из 232 г (NH4)2Cr2O7 получается 152 г Cr2O3 и 22,4 л N Приводим задачу к стандартной «задаче на смеси»: вычитаем из общей массы исходной смеси массу бихромата, получаем суммарную массу нитрита и нитрата 54 – 23,2 = 30,3 г. А объем выделившихся при разложении этих двух веществ газов (без воды, т. к. условия нормальные): 11,2 – 2,24 = 8,96 л.

Решаем эту стандартную задачу:

Пусть нитрита n г, тогда нитрата – (30,3 – n) г.

По реакции (1) получится 22,4. n/54 л азота По реакции (2) получится 44,8. (30,3 – n)/160 л N2 + 22,4. (30,3 – n)/160 л O2.

44,8. (30,3 – n)/160 + 22,4. (30,3 – n)/160 = 8, откуда n = 9 г NH4NO2, (30,3 – n) = 21,3 г NH4NO 26. 6,72 л углекислого газа – 0,3 моль;

24,4 г бензойной кислоты – 0,2 моль.

Пусть в смеси x моль стирола и y моль изопропилбензола. Реакции окисления:

C6H5CH=CH2 $ C6H5COOH + CO C6H5CH(CH3)2 $ C6H5COOH + 2CO Поскольку бензол не окисляется в этих условиях, получим:

Тогда в смеси 10,4 г стирола, 12,0 г изопропилбензола 15,6 г бензола.

27. Реакции гидрирования (цикл гидрируется тоже, поскольку гидрирование «исчерпывающее»):

H2C=C=CH2 + 2H2 = H3C–CH2–CH H3C–CH=CH2 + H2 = H3C–CH2–CH H2C=CH–CH2–CH=CH2 + 2H2 = H3C–CH2–CH2–CH2–CH Пусть в смеси было a моль пропадиена, b моль пропена, c моль пентадиена, в моль винилциклопентена. Тогда количество водорода для полного гидрирования: 2a + b + 2c + 3d.

По реакциям сжигания, количество образующегося CO2: 3a + 3b + 5c + 7d.

Согласно условию, a = b + с + d, т. е. количество a равно количеству остальных компонентов смеси, или 50 мольных %.

28. 26,5% С5Н12 и 73% С7Н16, либо 79% С6Н14 и 21% С8Н18.

III: CaHbPc: a/b/c = 53,33 : 12/12,22 : 1/34,44 : 31 = 4/11/1 C4H11P b). II по условию может иметь только структуру тогда I Можно предположить, что III – триалкилфосфин, однако он не удовлетворяет схеме синтеза.

III = (CH3)3P+CH2– -. это сильное основание и нуклеофил.

IV = (CH3)4P+Br–;

V = (CH3)3P+CH2CH3Br– (СH3)3P+CH2 + HBr " (CH3)4P+Br– (CH3)3P+CH2CH3)3P e) Действием сильного основания.

PhLi + (CH3)4P+Br– = PhH + LiBr + (CH3)3P+CH2– 8. Описана химия азота (Х – азот, Y – кислород, А – NH3, Б – HNO3).

Уравнения приведенных реакций:

2NO+O2(избыток) = 2NO2, 4NO2+O2(избыток) + 2H2O = 4HNO3.

9. Условие задачи представляет собой справочное пособие по присоединению-отщеплению воды. А — этанол, В — бутанол-1 или 2-метилпропанол-1.

10. Довольно распространенный прием в олимпиадных задачах – очевидная реакция, которая в реальных условиях идет только в присутствии следов воды. Пример – реакции аммиака и хлороводорода, водорода с кислородом и т.д. Поэтому в качестве ключа мы используем свойства газа Д, которй явный азот, судя по реакциям с водородом и кислородом. В результате получим:

А все остальное:

A – NH3, Б – NО2, В и Г – NH4NO2 и NH4NO3, 2NH3+2NO2+H2O = NH4NO2+NH4NO3, Задача навеяна материалами форума журнала «Химия и химики».

11.

Ключ к решению – конечно же, газ, вступающий в реакцию с солью ртути и образующий исходное вещество с молекулярной массой 226. Вычитаем атом ртути и получаем 24 – 2 атома углерода. Следовательно, соединение А – ацетиленид (ацетилид) ртути (II).

Вспоминаем реакцию Кучерова, которая здесь выражается не в виде вода + ацетилен + катализатор (соль ртути), а в виде уже готового соединения, включающего и ион ртути, и ацетилен – осталось только добавить кислоту:

Серебряное зеркало – с ацетальдегидом:

а вот интересная реакция ацетилена с солями ртути, описанная в условии:

12. Соотношение атомов углерода и водорода показывает, что в структурах имеется бензольное кольцо. А упомянутая в условии реакция окисления B в E является ключевым химическим свойством – образование бензойных кислот при окислении углеводородных и всех прочих хвостов, начинающихся с углерода, бензольного кольца. Следующая реакция дает нам структуру этой кислоты E: если натриевая соль содержит неразличимые атомы водорода, то кислота E – трехосновная:

Тогда соединение B – это Что же такое соединение А? Вариант 1,3,5-замещенных бензолов только один, и это B. C монозамещенными и дизамещенными бензолами не проходит: бензоат натрия (соль одноосновной бензойной кислоты) содержит 3 типа атомов водорода (в орто-, мета- и пара- положениях).

Следовательно кислота С, образующаяся при жестком окислении A, не содержит в своем составе бензольного кольца. Рассмотрим простейшие карбоновые кислоты, соли которых содержат единственный тип атомов водорода – муравьиную, уксусную и триметилуксусную. Например, если соединение С – триметилуксуная кислота, то А, С и D это:

Возможны также другие решения. Например С – уксусная кислота, D – ацетат натрия, A – 2,4,6,8 – декатетраен.

b. Коэффициенты в уравнениях подбираются методом электронноионного баланса:

H3C HOOC c. Методов синтеза существует много. Принимается любой разумный (неразумным считается, например, синтез 1,3-диметил-5-этилбензола тримеризацией пропина и 1-бутина: молекулы не умеют сочетаться как хочется решателю, здесь правит статистика).

Например:

13. Условию задачи удовлетворяет следующая схема электролиза:

СН3СН2СН2СOOН + 8НХ = 8Н2 + C3X8 + СO Образование гексана невозможно, так как объемное отношение CO2 и газа II составляет 1:1. Получение 8 моль водорода возможно при удалении всех атомов водорода из масляной кислоты (4 моль) и образовании 4 моль водорода в результате электролиза растворителя. X не может быть сложной группой, так как C3X8 – газ.

Возможные побочные продукты: гептафтормаслячая кислота, ее фторангидрид, другие фторпроизводные масляной кислоты.

14. Понятно, что ключ к решению – осадок Г, образующийся при пропускании В в водный нитрат серебра и растворяющийся в аммиаке. Давайте предположим, что это хлорид серебра. Тогда газ В – хлороводород.

Его образуется 3 моль на 1 моль исходного А (было 300 г, или 2 моль А;

газа получилось 300 – 80 = 220 г, или 110 = 3. 36,5 г/моль), т.е. в соединении А – как минимум 3 атома водорода и 3 атома хлора.

Дальше: что такое соединение Б. Моль Б = 149,5 – 3. 36,5 = 40. Это не кальций, так как металл не может образоваться с выделением хлороводорода, следовательно, Б не является простым веществом. Тогда что это? Ничего, кроме SiC, тем более что под определение «технически важный материал» карбид кремния замечательно подходит.

Становится понятным природа соединения Д, которое «не растворяется в большинстве минеральных кислот». Молекулярная масса: 149,5. 4/10 = 60.

Разность молекулярных масс Д и Б равна 20. Это свидетельствует, что Д не является двойным оксидом (20/16 = 1,25), таким образом, Д – оксид, не обладающий основными свойствами, ЭOx. Единственное решение: Э = Si, х = 2.

Это оксид кремния. В «меньшинство» минеральных кислот в нашем случае попала плавиковая.

Из всего вышеперечисленного следует, что брутто-формула А – CH3SiCl3.

Таким образом, перечисленные вещества:

А: метилтрихлорсилан – CH3SiCl3.

Б: карбид кремния SiC.

Реакции:

Формулы изомеров соединения A: CH3SiCl3, CCl3SiH3, CHCl2SiH2Cl, CH2ClSiHCl2.

15. Ключ к решению не самый очевидный (для школьного отличника). Но любой хоть немного знакомый с ароматичностью олимпиадник сразу определит, что вещество А является СН-кислотой, и узнает в А циклопентадиен, а в продукте его реакции с натрием – циклопентадиенилнатрий:

HOOC COOH

Так как из С в результате окисления получается циклопентан-1,2,3,4тетракарбоновая кислота (С9H10O8) и С является продуктом присоединения А к В, то соединение А является С5-углеводородом, у которого, исходя из условия, имеются две двойные связи (реакция с бромом).

Из всего этого следует, что А – циклопентадиен-1,3. Причина его высокой кислотности заключается в том, что в результате диссоциации образуется устойчивый карбанион с ароматической структурой, так как на циклически сопряженных p-орбиталях находится шесть электронов, что согласуется с правилом Хюккеля. Соединения В и С имеют по одной двойной C=C-связи и являются либо кислотами, либо ангидридами кислот. Состав соединения В говорит о том, что это малеиновый ангидрид. Соединение С имеет бикарбоцикл с С=С-связью, озон разрывает один из циклов с образованием двух карбоксильных групп, а второй цикл сохраняется.

Малеиновый ангидрид реагирует с циклопентадиеном по реакции ДильсаАльдера с образованием ангидрида эндо-цис-5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты (эндиковый ангидрид) (I). Геометрическим изомером соединения С является ангидрид экзо-5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты (II).

Единственная альтернатива предложенной структуре A – замещенный ацетилен; но соединение А не может быть терминальным алкином, так как такие алкены реагируют с малеиновым ангидридом только в жестких условиях и с образованием совсем других продуктов.

2.4. Расчет как ключевой фактор в решении качественных задач.

Расчетный ключ, заданный в условии, может (после проведения вычислений) определить всю логику решения задачи на установление формулы неизвестного вещества. Т.е. качественная задача, решаемая при помощи элементарного ключевого расчета, от этого не становится менее качественной...

Пример 1. При приливании раствора, содержащего 1,02 г соли сероводородной кислоты, к раствору, содержащему 2,7 г хлорида двухвалентного металла, выпало 1,92 г осадка. Какие соли взяты для проведения реакции, если они прореагировали полностью?

Решение. Ключик в том, что масса осадка не превышает массу одного из реагентов, следовательно, в осадок выпало одно вещество: либо хлорид, либо сульфид. Для всех металлов, хлориды которых нерастворимы, сульфиды тоже нерастворимы. В то же время не существует растворимый сульфид, соответствующий нерастворимому хлориду, из чего следует, что в осадок выпал сульфид того двухвалентного металла, который входил до реакции в состав хлорида. Обозначим молекулярную массу этого металла через М, тогда Отсюда (М + 32). 2,70 = (М + 71). 1,92; М = 64 (медь).

Количество хлорида меди: 2,70/1,35 = 0,02 моль, равно количеству неизвестной соли сероводородной кислоты, молярная масса этой соли М=1,02/0,02 = 51 г/моль; это может быть только бисульфид аммония NH4HS:

2NH4HS+CuCl2=CuS +2NH4Cl+H2S.

Пример 2. К раствору соли серебра (раствор 1) прибавили: а) нитрат бария, произошла реакция, выпал осадок 2, содержащий 46,2 % бария; б) небольшой обьем раствора щелочи, осадка нет; в) воду, выпал белый осадок 3, содержащий 57,4 % серебра. Обьясните результаты эксперимента и определите качественный состав раствора 1.

Решение: Бросается в глаза необычность свойств раствора 1, ведь щелочь + соль Ag+ = всегда осадок Ag2O; а при разбавлении водой осадок дают только аммиакаты галогенидов серебра.

Используем количественные данные, которые, на первый взгляд, не монтируются в сложившуюся систему стандартно-химического мировоззрения.

Подсчитаем относительную молекулярную массу кислотного остатка А осадка 2:

На 46,2% Ba2+ приходится 53,8% А2–, на 137 г Ba2+ приходится x г А2–; откуда x = 160.

Никуда не деться от того факта, что А = 2Br–, т.е. соль – BaBr2 (растворима в воде, однако здесь почему-то выпадает в осадок):

а) 2AgBr+Ba(NO3)2 = 2AgNO3+BaBr 57,4% Ag+ в осадке 3 указывают на состав AgBr. Необходимо сложить 2+2 и дойти до понимания, что необычность свойств солей, выпадающих в осадок, говорит о том, что растворитель – это не вода. Но ведь в условии и не сказано, что раствор водный!

AgBr растворим, что указывает на аммиак, а BaBr2 – наоборот, нерастворим.

Поскольку говорится о растворе, то жидкий аммиак. Все, что известно о свойствах аммиачных комплексов серебра, объясняет приведенные в условии сведения:

(Ag(NH3)2Br) т.е. раствор 1 - это раствор AgBr в жидком аммиаке.

Почему эта задача отнесена к качественным? Потому, что в результате прямых вычислений «в лоб» получается абсурд. Необходимо приложить химическую логику и некоторое количество (!школьных – ведь все знают про растворение солей и оксида серебра в аммиаке) знаний по химии.

Задачи.

1. Навеска меди массой 0,635 г полностью растворяется в растворе кислоты с выделением 0,224 л (н.у.) водорода. Напишите уравнение этой реакции.

2. Эквимолярную смесь двух галогенидов рубидия массой 4,51 г обработали избытком нитрата серебра. При этом образовался осадок массой 2,87 г. Определить, какие галогениды присутствовали в смеси.

3. Металл X может реагировать с кислородом, образуя два различных соединения А и Б. Оба соединения хорошо реагируют с водой с образованием одного и того же гидроксида В. Содержание элемента X в гидроксиде В составляет 79,5 ± 1,0% по массе. Определите, что представляет собой элемент X, приведите химические формулы соединений А, Б и В и напишите уравнения реакций.

4. Кристаллогидрат соли металла массой 8,22 г с общей формулой MSO4.7H2O был растворен в 50 мл воды. Измеренная через некоторое время массовая доля вещества в растворе оказалась равной 8,51%. Определите, о каком металле идет речь.

Неизвестная соль X при нагревании до 250 оС разлагается, образуя ряд газообразных при этой температуре продуктов А, Б, В и Г, каждого по моль на моль X. Как растворение в воде, так и приведение смеси к нормальным условиям дает соль Д, и остается неизменным газ Б, переходящий при сжигании в газ В. Газ Б можно получить при нагревании В с углем. При 20 оС раствором щелочи поглощаются как газ В, так и жидкость Г. Как смесь, полученная при нагревании X, так и вещества X и Д дают осадки с известковой водой. О каких веществах идет речь? Написать уравнения всех приведенных реакций.

6. При разложении 0,2 моль некоторой соли получается вода и 8,96 л смеси трех газов. После сушки газы пропускают через раствор щелочи, при этом масса раствора увеличивается на 7,1 г, а объем газов уменьшается на четверть. Через оставшиеся газы пропускают искровой электрический разряд, затем растворяют в воде; образовалась смесь двух кислот массой 11 г и мольным соотношением 1 : 1. Определите неизвестную соль (считать, что все реакции происходят количественно).

7. При пропускании паров легколетучей жидкости А над 2,7 г нагретого порошкообразного алюминия происходит их полное поглощение, и масса образца возрастает до 5 г. Внесение полученной твердой массы в избыток водного раствора щелочи приводит к образованию прозрачного раствора и выделению 1,344 л газа В.

В другом опыте, проведенном с теми же количествами исходных веществ, твердая масса была внесена в избыток соляной кислоты. При этом также образовался прозрачный раствор и выделилось 2,688 л газа С. Если газ С смешать с парами жидкости А в объемном отношении 4:1 и пропустить полученную газовую смесь при нагревании над мелкоизмельченной металлической медью, то образуется газовая смесь D. Все объемы газов приведены к нормальным условиям.

1. Установите формулу вещества А.

2. Напишите уравнения проведенных реакций.

3. Установите объемный (в процентах) состав газов В, С, D.

8. При бромировании на свету неизвестного предельного углеводорода может образоваться максимум 15 дибромпроизводных, содержащих атомы брома при неэквивалентных атомах углерода, однако основным продуктом реакции из пятнадцати упомянутых является лишь один дибромид А. Взаимодействие с цинком 20,0 г дибромида А приводит к образованию ациклического углеводорода и 17,5 г бромида цинка.

Установите структуру исходного углеводорода.

Запишите уравнения описанных в задаче реакций.

9. При осторожном действии воды на бинарное соединение А, образованное двумя неметаллами, получается высший оксид Б (белое кристаллическое вещество) и летучее водородное соединение В. Действие на А избытка воды приводит к В и Г. Окисление А кислородом дает Б и газ Д, имеющий плотность вдвое большую, чем кислород. Д реагирует с В в объемном соотношении 1 : 2, образуя воду и простое вещество Е, которое также может быть получено при осторожном окислении В. Назовите все упомянутые вещества и приведите уравнения химических реакций.

10. При сжигании 1,06 г жидкого органического вещества X (выделяющегося при коксовании угля) было получено 0,90 г воды и 3,52 г диоксида углерода. Плотность паров вещества X в 3,79 раз выше плотности азота.

При окислении вещества X горячей смесью CrO3 и H2SO4 образовалось кристаллическое вещество А, растворимое в водных растворах NaOH или NaHCO3. При нагревании соединение А отщепляет воду и переходит в вещество Б. Б конденсируется с фенолом в присутствии H2SO4 или ZnCl2. Продукт конденсации Y представляет собой распространенный кислотно-основной индикатор.

Как А, так и Б взаимодействуют при нагревании с избытком бутанола-1 (в присутствии нескольких капель концентрированной H2SO4) с образованием одного и того же жидкого продукта В.

Считая, что атом углерода образует четыре связи, можно формально изобразить две различные формулы для вещества Х. Ни одна из этих формул не соответствует строению X, поскольку до сих пор эти два гипотетических изомера не были получены.

Хайман и Витбаут в 1941 году провели озонирование вещества X в хлороформенном растворе. После гидролиза озонидов водный слой содержал три различных органических вещества в молярном отношения Г : Д : Е = 3 : 2 : 1.

При мягком окислении два из них образуют новые соединения Ж и З, а третье не изменяется, однако сильные окислители, например, H2O2, окисляют его до распространенного жидкого вещества И, имеющего характерный резкий запах.

Навеску 0,288 г чистого безводного вещества Ж растворили в 1 М водном растворе H2SO4 и затем оттитровали 0,05 М раствором KMnO4. Израсходованный объем раствора KMnO4 составил 25,6 мл.

1) Напишите суммарную формулу вещества X.

2) На основании условия задачи напишите уравнения реакций получения веществ А,Б и В.

3) Приведите реакцию синтеза вещества Y и его название.

4) Изобразите две формальные структурные формулы соединения X, а также более правильную структурную формулу, согласующуюся с современными представлениями.

5) Напишите уравнение реакции озонирования, которое объясняло бы, почему молярное отношение продуктов Г, Д и Е равно 3:2:1.

6) Напишите уравнения реакций получения Ж, З и И.

7) Приведите две формальные структуры и более правильную современную структуру другого жидкого вещества, которое является производным X и также входит в состав коксовых газов. С именем какого известного химика связана формула этого вещества? Какие продукты образуются при его озонировании?

8) Подпишите под формулами веществ Х, Y, А–И в уравнениях реакций их названия.

11. Некоторый углеводород при взаимодействии с хлором может давать дихлорид либо тетрахлорид. Отношение молекулярных масс дихлорида и тетрахлорида равно 0,637. Какие возможные структуры может иметь исходный углеводород? Какие вещества могут быть получены при действии на исходный углеводород и продукты его хлорирования раствора перманганата калия?

12. Три вещества А, Б и В являются изомерами. Все они реагируют с аммиачным раствором оксида серебра, давая соответственно вещества Г, Д, Е и во всех трех случаях желтоватый осадок, содержащий 57,5% серебра.

При окислении в мягких условиях Г, Д и Е образуют соединения Ж, З, И, причем Ж и З, в отличие от И, вступают в реакцию серебряного зеркала с образованием веществ, дающих при прокаливании со щелочью один и тот же продукт – изобутан. Предложите структуру веществ, упомянутых в задаче, и напишите уравнения соответствующих реакций.

13. Исследователь прокаливал эквимолярные количества цинковых солей (А и Б) двух кислот. Оба остатка после прокаливания состояли из белого вещества, которое известно под названием философской шерсти и используется для приготовления цинковых белил. В обоих случаях при прокаливании выделялись бурые пары. При охлаждении до комнатной температуры пары сгущались в бурую жидкость, при охлаждении смесью льда с солью они затвердевали, однако, при этом продукт разложения А образовывал бесцветные, а продукт разложения Б бурые кристаллы. В обоих случаях бурые пары поглощались горячим раствором едкого натра с образованием бесцветных растворов, а над щелочью собирался бесцветный газ, поддерживающий горение.

Прирост массы раствора щелочи составлял при поглощении паров 49±1% от массы прокаливаемой соли. После нейтрализации щелочных растворов азотной кислотой к ним был добавлен раствор нитрата серебра. В обоих случаях выпал желтоватый осадок.

Определите соли А и Б. Какие процессы наблюдал исследователь? В каком случае после добавления раствора нитрата серебра выпало больше осадка?

Как называется процесс происходивший в обоих случаях при поглощении бурых паров щелочью?

14. При нагревании 16,85 г ярко-красного вещества А с 2,23 г порошка железа при 1000 К образовался твердый остаток Б и выделилось 3,04 л паров некоторого вещества Ж (1000 К; 101,3 кПа). Длительное плавление остатка Б с 21,63г персульфата калия (K2S2O8) при 650 К дало 2,51 л В (650 К; 101, кПа) и 23,54 г твердого остатка Г, водный раствор которого темнеет при добавлении иодида калия. Смесь В частично поглощается водным раствором аммиака с образованием темного осадка Д, который отделили фильтрованием. При добавлении к фильтрату Е концентрированной азотной кислоты появился бурый газ и темные кристаллы. Известно, что вещество А способно при нагревании изменять свой цвет на желтый. Определите состав веществ А, Б, В, Г, Д. Напишите уравнения протекающих реакций. Объясните происходящие изменения и подтвердите ответ расчетом.

15. Шесть таблеток белого вещества общей массы 9,4 г растворили в воде и добавили порошок оксида марганца (IV). При этом выделилось 1,12 л газа А, который после пропускания через трубку, в которой происходит тихий электрический разряд, уменьшает объем, а полученный газ Б при реакции с раствором йодида калия выделяет иод, при этом объем газа не изменяется.

Оксид марганиа (IV) отфильтровали и взвесили, предварительно высушив.

Его вес оказался равным исходному.

К прозрачному фильтрату добавили избыток раствора гидроксида натрия.

При кипячении было получено 4,48 л газа С, который при сгорании в кислороде образовал 5,4 мл воды и 2,24 л газа X (плотность 1,25 г/л). Оставшуюся жидкость осторожно нейтрализовали и добавили избыток соляной кислоты.

При этом выделилось 2,24 л газа Y, который при пропускании через избыток известковой воды образовал 10 г осадка. Газ, полученный при прокаливании этого осадка, при пропускании над раскаленным углем увеличил свой объем вдвое. Оставшийся раствop содержит только соляную кислоту и хлорид натрия, причем в количествах, соответствующих количествам добавленных реагентов. Определите формулу исходного вещества к объяснить результаты проведенных опытов с приведением уравнений химических реакций.

16. Органическое соединение А состава С7Н14О3, нерастворимое в воде, медленно растворяется при кипячении с разбавленным раствором едкого кали с образованием раствора B. Если полученный однородный раствор B подвергать перегонке, то при температуре 87° отгоняется жидкость C, которая после выдерживания в течение суток над прокаленным поташом повышает температуру кипения до 97°С и имеет состав C3H8O. Масса последнего соединения D составляет примерно 82% от массы исходного соединения А. Соединение D реагирует с бромоводородом, образуя вещество E состава С3H7Br, и при нагревании с концентрированной серной кислотой выделяет газ F, способный при реакции с бромоводородом образовывать соединение G, имеющее состав C3H7Br, но отличающееся по свойствам от вещества E. Установить строение всех названных веществ, написать уравнения происходящих реакций и объяснить описанные явления. Как можно синтезировать соединение А.

17. Расшифруйте следующую схему: