Номер 419, страница 64 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

419. *Неизвестный металл массой 6,4 г растворили в избытке концентрированной кислоты. В результате реакции получили соль металла, степень окисления металла в которой равна +2, и газ объёмом (н. у.) $4,48 \text{ дм}^3$, массовая доля азота в котором составляет 30,45 %, а кислорода — 69,55 %. Относительная плотность газа по воздуху равна 1,586. Установите неизвестный металл.

Дано:

$m(\text{Me}) = 6,4 \text{ г}$

$V(\text{газ}) = 4,48 \text{ дм}^3$ (н. у.)

$\omega(\text{N в газе}) = 30,45 \%$

$\omega(\text{O в газе}) = 69,55 \%$

$D_{\text{воздух}}(\text{газ}) = 1,586$

Степень окисления Me в соли = +2

$M_{\text{воздуха}} \approx 29 \text{ г/моль}$

$V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$

Найти:

Неизвестный металл (Me) - ?

Решение:

1. Определим молярную массу и формулу выделившегося газа.

Молярную массу газа ($M_{\text{газа}}$) можно рассчитать, используя его относительную плотность по воздуху ($D_{\text{воздух}}$) и среднюю молярную массу воздуха ($M_{\text{воздуха}}$):

$M_{\text{газа}} = D_{\text{воздух}} \cdot M_{\text{воздуха}} = 1,586 \cdot 29 \text{ г/моль} \approx 46 \text{ г/моль}$

Теперь установим простейшую формулу газа ($N_x O_y$), используя массовые доли элементов. Найдем соотношение молей атомов азота и кислорода:

$x : y = \frac{\omega(N)}{A_r(N)} : \frac{\omega(O)}{A_r(O)}$

$x : y = \frac{30,45}{14} : \frac{69,55}{16} = 2,175 : 4,347$

Разделим оба значения на наименьшее (2,175), чтобы найти соотношение целых чисел:

$x : y = \frac{2,175}{2,175} : \frac{4,347}{2,175} \approx 1 : 2$

Простейшая формула газа — $NO_2$.

Молярная масса, соответствующая этой формуле:

$M(NO_2) = A_r(N) + 2 \cdot A_r(O) = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$

Так как рассчитанная молярная масса совпадает с молярной массой простейшей формулы, то истинная формула газа — диоксид азота ($NO_2$).

2. Составим уравнение реакции.

Выделение диоксида азота ($NO_2$) при реакции металла с концентрированной кислотой указывает на то, что кислота — концентрированная азотная кислота ($HNO_3$). В этой реакции металл (Me) окисляется до степени окисления +2, а азот в кислоте восстанавливается со степени окисления +5 до +4.

Составим электронный баланс:

$Me^0 - 2e^- \rightarrow Me^{+2}$ | 1 (окисление)

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 (восстановление)

На основе баланса составим уравнение реакции:

$Me + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Me(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$

3. Рассчитаем молярную массу неизвестного металла.

Найдем количество вещества выделившегося газа ($NO_2$):

$n(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V_m} = \frac{4,48 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, количество вещества металла относится к количеству вещества диоксида азота как 1:2.

$n(Me) = \frac{1}{2} n(NO_2) = \frac{1}{2} \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

Теперь, зная массу металла и его количество вещества, найдем его молярную массу:

$M(Me) = \frac{m(Me)}{n(Me)} = \frac{6,4 \text{ г}}{0,1 \text{ моль}} = 64 \text{ г/моль}$

4. Установим неизвестный металл.

Найденная молярная масса (64 г/моль) наиболее близка к относительной атомной массе меди (Cu), которая составляет 63,5 г/моль. Медь — металл, который активно реагирует с концентрированной азотной кислотой с образованием соли $Cu(NO_3)_2$ (где медь имеет степень окисления +2) и выделением $NO_2$.

Ответ:неизвестный металл — медь (Cu).