Номер 780, страница 137 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

780. Медные опилки массой 381 мг нагрели на воздухе. При этом часть меди превратилась в оксид меди(II). Массовая доля кислорода в полученном твёрдом продукте стала равна 7,75 %. Половину полученного твёрдого продукта поместили в трубчатую печь, нагрели до 400 °C и пропустили над ней водород объёмом (н. у.) 11,2 см³, а затем охладили в токе азота.

а) Приведите уравнения реакций, протекающих в описанном эксперименте.

б) Оксид меди(II) какой массой образовался в результате нагревания медных опилок на воздухе?

в) Какое число атомов меди приходится на один атом кислорода в продукте, образовавшемся после охлаждения печи? Приведите ваши расчёты.

г) Как изменится ответ на предыдущий пункт задачи, если охлаждение трубчатой печи будет проводиться на воздухе, а не в атмосфере азота? Кратко поясните свой ответ.

Дано:

$m(Cu)_{\text{исх}} = 381 \text{ мг} = 3.81 \cdot 10^{-4} \text{ кг}$
$\omega(O)_{\text{в прод.}} = 7.75 \% = 0.0775$
$V(H_2) = 11.2 \text{ см}^3 = 1.12 \cdot 10^{-5} \text{ м}^3$ (для половины продукта)
Условия для $V(H_2)$: нормальные условия (н. у.)
$T_{\text{нагрева}} = 400 \text{ °C}$

Найти:

а) Уравнения реакций.
б) $m(CuO)$ - массу образовавшегося оксида меди(II).
в) $N(Cu) / N(O)$ - соотношение числа атомов меди и кислорода в продукте после восстановления водородом и охлаждения в азоте.
г) Как изменится ответ на пункт (в), если охлаждение проводить на воздухе.

Решение:

Для расчетов будем использовать молярные массы: $M(Cu) = 63.5$ г/моль, $M(O) = 16$ г/моль, $M(CuO) = 79.5$ г/моль. Молярный объем газов при н.у. $V_m = 22.4$ л/моль.

а) Приведите уравнения реакций, протекающих в описанном эксперименте.

1. Нагревание медных опилок на воздухе. Медь реагирует с кислородом, образуя оксид меди(II):
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

2. Восстановление продукта водородом в трубчатой печи при 400 °C. Оксид меди(II) реагирует с водородом, восстанавливаясь до металлической меди:
$CuO + H_2 \xrightarrow{400 ^\circ C} Cu + H_2O$

Ответ: Уравнения реакций: $2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$ и $CuO + H_2 \xrightarrow{400 ^\circ C} Cu + H_2O$.

б) Оксид меди(II) какой массой образовался в результате нагревания медных опилок на воздухе?

Найдем начальное количество вещества меди:
$n(Cu)_{\text{исх}} = \frac{m(Cu)_{\text{исх}}}{M(Cu)} = \frac{0.381 \text{ г}}{63.5 \text{ г/моль}} = 0.006 \text{ моль}$

После нагревания на воздухе образуется смесь, состоящая из непрореагировавшей меди $Cu$ и оксида меди(II) $CuO$. Пусть в реакцию с кислородом вступило $x$ моль меди. Тогда образовалось $x$ моль $CuO$.
Масса образовавшегося $CuO$ равна $m(CuO) = x \cdot M(CuO) = 79.5x$ г.
Масса прореагировавшей меди: $m(Cu)_{\text{прореаг.}} = x \cdot M(Cu) = 63.5x$ г.
Масса кислорода, вступившего в реакцию: $m(O) = x \cdot M(O) = 16x$ г.
Общая масса твердого продукта после окисления складывается из массы исходной меди и массы присоединившегося кислорода:
$m_{\text{прод.}} = m(Cu)_{\text{исх}} + m(O) = 0.381 + 16x$ г.

Массовая доля кислорода в полученном продукте равна 7,75 %:
$\omega(O) = \frac{m(O)}{m_{\text{прод.}}} = \frac{16x}{0.381 + 16x} = 0.0775$

Решим это уравнение относительно $x$:
$16x = 0.0775 \cdot (0.381 + 16x)$
$16x = 0.0295275 + 1.24x$
$16x - 1.24x = 0.0295275$
$14.76x = 0.0295275$
$x \approx 0.002$ моль

Таким образом, в результате нагревания образовалось 0.002 моль оксида меди(II).
Найдем его массу:
$m(CuO) = n(CuO) \cdot M(CuO) = 0.002 \text{ моль} \cdot 79.5 \text{ г/моль} = 0.159 \text{ г}$

Ответ: В результате нагревания медных опилок образовалось 0.159 г (или 159 мг) оксида меди(II).

в) Какое число атомов меди приходится на один атом кислорода в продукте, образовавшемся после охлаждения печи? Приведите ваши расчёты.

Для второго этапа эксперимента взяли половину твердого продукта. Эта половина содержит:
- Половину от общего количества атомов меди: $n(\text{атомов } Cu) = \frac{n(Cu)_{\text{исх}}}{2} = \frac{0.006 \text{ моль}}{2} = 0.003 \text{ моль}$.
- Половину от общего количества атомов кислорода (которые находятся в составе $CuO$): $n(\text{атомов } O) = \frac{n(CuO)}{2} = \frac{0.002 \text{ моль}}{2} = 0.001 \text{ моль}$.

Над этой смесью пропустили водород. Найдем количество вещества водорода:
$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{0.0112 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.0005 \text{ моль}$

Водород реагирует с оксидом меди(II): $CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$.
Согласно уравнению, 1 моль $H_2$ реагирует с 1 моль $CuO$. В нашей смеси находится 0.001 моль $CuO$ (так как $n(\text{атомов } O) = n(CuO)$). Поскольку $n(H_2) < n(CuO)$ (0.0005 моль < 0.001 моль), водород находится в недостатке и прореагирует полностью.
При этом 0.0005 моль $H_2$ восстановит 0.0005 моль $CuO$, удалив из твердого продукта 0.0005 моль атомов кислорода (в виде паров воды).

Количество вещества атомов кислорода, оставшееся в твердом продукте после реакции:
$n(\text{атомов } O)_{\text{конечн.}} = n(\text{атомов } O)_{\text{исх.}} - n(H_2) = 0.001 \text{ моль} - 0.0005 \text{ моль} = 0.0005 \text{ моль}$

Количество атомов меди в твердом продукте не изменяется в ходе этой реакции:
$n(\text{атомов } Cu)_{\text{конечн.}} = 0.003 \text{ моль}$

Соотношение числа атомов меди к числу атомов кислорода в конечном продукте равно соотношению их количеств вещества:
$\frac{N(Cu)}{N(O)} = \frac{n(\text{атомов } Cu)_{\text{конечн.}}}{n(\text{атомов } O)_{\text{конечн.}}} = \frac{0.003 \text{ моль}}{0.0005 \text{ моль}} = 6$

Таким образом, на 1 атом кислорода приходится 6 атомов меди.

Ответ: В продукте, образовавшемся после охлаждения печи в токе азота, на один атом кислорода приходится 6 атомов меди.

г) Как изменится ответ на предыдущий пункт задачи, если охлаждение трубчатой печи будет проводиться на воздухе, а не в атмосфере азота? Кратко поясните свой ответ.

После реакции с водородом при 400 °C твердый продукт представляет собой смесь металлической меди и непрореагировавшего оксида меди(II). Охлаждение в атмосфере инертного газа (азота) "замораживает" этот состав.

Если же охлаждение проводить на воздухе, то горячая металлическая медь будет активно реагировать с кислородом воздуха, снова окисляясь до оксида меди(II):
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

В результате этого процесса вся металлическая медь, присутствующая в смеси, превратится в $CuO$. Конечным продуктом будет являться только оксид меди(II).

В оксиде меди(II) ($CuO$) соотношение числа атомов меди к числу атомов кислорода всегда постоянно и равно 1:1.

Таким образом, ответ на предыдущий пункт изменится с 6 на 1.

Ответ: Ответ изменится. Число атомов меди, приходящееся на один атом кислорода, станет равным 1. Это произойдет потому, что при охлаждении на воздухе вся металлическая медь, находящаяся в раскаленной смеси, окислится кислородом до оксида меди(II), и конечный продукт будет состоять только из $CuO$.