Номер 269, страница 45 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

269. *При растворении в 48,2 $ \text{см}^3 $ воды навески массой 244 мг оксида химического элемента, расположенного в группе VA, образовался раствор, в котором массовая доля растворённого вещества равна 0,695 %. Установите формулу этого оксида.

Дано:

$V(\text{H}_2\text{O}) = 48,2 \text{ см}^3$

$m_{\text{оксида}} = 244 \text{ мг}$

$\omega_{\text{раств. в-ва}} = 0,695 \%$

Элемент (Э) находится в VA группе.

Примем плотность воды $\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ г/см}^3$. Переведем данные в граммы:

$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \cdot \rho(\text{H}_2\text{O}) = 48,2 \text{ см}^3 \cdot 1 \text{ г/см}^3 = 48,2 \text{ г}$

$m_{\text{оксида}} = 244 \text{ мг} = 0,244 \text{ г}$

$\omega_{\text{раств. в-ва}} = 0,695 \% = 0,00695$

Найти:

Формулу оксида.

Решение:

При растворении оксида элемента VA группы в воде происходит химическая реакция, в результате которой образуется кислота (растворенное вещество).

1. Вычислим массу полученного раствора. Она равна сумме масс исходных веществ (воды и оксида):

$m_{\text{раствора}} = m(\text{H}_2\text{O}) + m_{\text{оксида}} = 48,2 \text{ г} + 0,244 \text{ г} = 48,444 \text{ г}$

2. Используя массовую долю, найдем массу растворенного вещества (продукта реакции):

$m_{\text{раств. в-ва}} = \omega_{\text{раств. в-ва}} \cdot m_{\text{раствора}} = 0,00695 \cdot 48,444 \text{ г} \approx 0,3367 \text{ г}$

3. Продукт реакции (кислота) образуется при присоединении воды к оксиду. Найдем массу воды, вступившей в реакцию:

$m(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}} = m_{\text{раств. в-ва}} - m_{\text{оксида}} = 0,3367 \text{ г} - 0,244 \text{ г} = 0,0927 \text{ г}$

4. Вычислим количество вещества прореагировавшей воды (молярная масса воды $M(\text{H}_2\text{O}) = 18 \text{ г/моль}$):

$n(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}} = \frac{m(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}}}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{0,0927 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} \approx 0,00515 \text{ моль}$

5. Элементы VA группы (N, P, As, Sb, Bi) могут образовывать оксиды с разными степенями окисления, чаще всего +3 и +5. Общие формулы таких оксидов — $Э_2O_3$ и $Э_2O_5$. Рассмотрим их реакции с водой:

$Э_2O_3 + 3H_2O \rightarrow 2H_3ЭO_3$

$Э_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HЭO_3$

$Э_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3ЭO_4$

Из уравнений видно, что на 1 моль оксида может приходиться 1 или 3 моль воды. Обозначим стехиометрический коэффициент перед водой как $z$. Тогда соотношение количеств веществ:

$n_{\text{оксида}} = \frac{n(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}}}{z}$

Найдем молярную массу оксида ($M_{\text{оксида}}$) через известные массы и рассчитанные количества вещества:

$M_{\text{оксида}} = \frac{m_{\text{оксида}}}{n_{\text{оксида}}} = \frac{m_{\text{оксида}}}{n(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}} / z} = z \cdot \frac{m_{\text{оксида}}}{n(\text{H}_2\text{O})_{\text{прореаг.}}} = z \cdot \frac{0,244 \text{ г}}{0,00515 \text{ моль}} \approx 47,38 \cdot z \text{ г/моль}$

6. Проверим возможные значения $z$ (1 или 3).

- Если $z=1$, то $M_{\text{оксида}} \approx 47,38 \text{ г/моль}$.

Для оксида $Э_2O_5$: $2M(Э) + 5 \cdot 16 = 47,38 \Rightarrow 2M(Э) = -32,62$. Это невозможно.

Для оксида $Э_2O_3$: $2M(Э) + 3 \cdot 16 = 47,38 \Rightarrow 2M(Э) = -0,62$. Это невозможно.

- Если $z=3$, то $M_{\text{оксида}} \approx 47,38 \cdot 3 = 142,14 \text{ г/моль}$.

Для оксида $Э_2O_3$: $2M(Э) + 48 = 142,14 \Rightarrow 2M(Э) = 94,14 \Rightarrow M(Э) = 47,07 \text{ г/моль}$. В VA группе нет элемента с такой атомной массой.

Для оксида $Э_2O_5$: $2M(Э) + 80 = 142,14 \Rightarrow 2M(Э) = 62,14 \Rightarrow M(Э) = 31,07 \text{ г/моль}$.

Полученное значение атомной массы ($31,07 \text{ г/моль}$) очень близко к атомной массе фосфора ($M(P) \approx 31 \text{ г/моль}$). Следовательно, искомый элемент — фосфор (P), а его оксид — $P_2O_5$. Реакция протекает по уравнению:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Ответ: $P_2O_5$