Номер 797, страница 142 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

797. Навеску оксида А массой 2,470 г растворили в воде и получили прозрачный раствор массой 96,460 г, через который пропустили $723\text{ см}^3$ (н. у.) газа Б. Полученный после полного поглощения газа Б раствор упарили, в результате чего получили твёрдый сухой остаток массой 3,960 г, содержащий $32,61\%$ кислорода по массе, и 93,985 мл воды.

а) Установите формулы А и Б. Приведите необходимые расчёты.

б) Рассчитайте массовую долю растворённого вещества в растворе, полученном в результате растворения оксида А в воде.

в) Если раствор, полученный в результате растворения А в воде, упарить в специальных условиях и охладить, то в осадок выпадает вещество В, содержащее $50,72\%$ кислорода по массе. Установите формулу В.

г) Приведите уравнение реакций, описанных в задаче.

д) Что образуется при пропускании газа Б через чистую воду? Приведите уравнения соответствующих реакций.

Дано

$m(\text{оксида А}) = 2,470 \text{ г}$
$m(\text{раствора А}) = 96,460 \text{ г}$
$V(\text{газа Б}) = 723 \text{ см}^3 \text{ (н. у.)}$
$m(\text{сухого остатка}) = 3,960 \text{ г}$
$\omega(\text{O в остатке}) = 32,61\% $
$V(\text{испаренной воды}) = 93,985 \text{ мл}$
$\omega(\text{O в веществе В}) = 50,72\% $

Примем плотность воды $\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ г/мл} = 1000 \text{ кг/м}^3$. Тогда масса испаренной воды $m(\text{H}_2\text{O}) = 93,985 \text{ г}$.

$m(\text{оксида А}) = 0,002470 \text{ кг}$
$m(\text{раствора А}) = 0,096460 \text{ кг}$
$V(\text{газа Б}) = 723 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 0,000723 \text{ м}^3$
$m(\text{сухого остатка}) = 0,003960 \text{ кг}$
$\omega(\text{O в остатке}) = 0,3261$
$m(\text{испаренной воды}) = 0,093985 \text{ кг}$
$\omega(\text{O в веществе В}) = 0,5072$

Найти:

а) Формулы веществ А и Б.
б) $\omega(\text{растворённого вещества})$ в растворе, полученном растворением оксида А.
в) Формулу вещества В.
г) Уравнения реакций, описанных в задаче.
д) Продукты реакции газа Б с водой и уравнения реакций.

Решение

а) Установите формулы А и Б. Приведите необходимые расчёты.

1. Проверим баланс масс в процессе поглощения газа Б и последующего упаривания. Масса конечной системы (сухой остаток + испаренная вода) равна массе начальной системы (раствор оксида А + поглощенный газ Б).

$m(\text{раствора А}) + m(\text{газа Б}) = m(\text{сухого остатка}) + m(\text{испаренной воды})$

Масса испаренной воды: $m(\text{H}_2\text{O}) = V \cdot \rho = 93,985 \text{ мл} \cdot 1 \text{ г/мл} = 93,985 \text{ г}$.

Найдем массу поглощенного газа Б:

$m(\text{газа Б}) = 3,960 \text{ г} + 93,985 \text{ г} - 96,460 \text{ г} = 1,485 \text{ г}$.

2. Найдем количество вещества газа Б. Объем дан при нормальных условиях (н. у.), молярный объем $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

$V(\text{газа Б}) = 723 \text{ см}^3 = 0,723 \text{ дм}^3 (\text{л})$

$n(\text{газа Б}) = \frac{V(\text{газа Б})}{V_m} = \frac{0,723 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,03228 \text{ моль}$.

3. Вычислим молярную массу газа Б:

$M(\text{газа Б}) = \frac{m(\text{газа Б})}{n(\text{газа Б})} = \frac{1,485 \text{ г}}{0,03228 \text{ моль}} \approx 46,0 \text{ г/моль}$.

Газ с такой молярной массой — диоксид азота ($NO_2$). $M(NO_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$. Таким образом, газ Б — это $NO_2$.

4. Установим формулу оксида А. Оксид А растворяется в воде, образуя прозрачный раствор, который реагирует с кислотным оксидом $NO_2$. Следовательно, раствор оксида А имеет щелочную среду, а сам оксид А — это оксид щелочного или щелочноземельного металла, который при реакции с водой образует гидроксид.

Реакция гидроксида с $NO_2$ приводит к образованию нитрата и нитрита. Сухой остаток — это смесь солей и, возможно, избытка гидроксида. Весь азот из газа Б перешел в сухой остаток. Найдем массу и количество вещества азота в остатке:

$n(\text{N в остатке}) = n(NO_2) = 0,03228 \text{ моль}$.

$m(\text{N в остатке}) = n \cdot M = 0,03228 \text{ моль} \cdot 14 \text{ г/моль} \approx 0,4519 \text{ г}$.

5. Найдем массу кислорода в остатке:

$m(\text{O в остатке}) = m(\text{сухого остатка}) \cdot \omega(\text{O}) = 3,960 \text{ г} \cdot 0,3261 = 1,2913 \text{ г}$.

6. Масса металла (Me) в сухом остатке равна разности масс остатка и масс азота и кислорода:

$m(\text{Me}) = m(\text{сухого остатка}) - m(\text{N}) - m(\text{O}) = 3,960 - 0,4519 - 1,2913 = 2,2168 \text{ г}$.

7. Весь металл перешел из исходного оксида А. В оксиде А масса металла составляет 2,2168 г. Найдем массу кислорода в оксиде А:

$m(\text{O в оксиде А}) = m(\text{оксида А}) - m(\text{Me}) = 2,470 \text{ г} - 2,2168 \text{ г} = 0,2532 \text{ г}$.

Количество вещества кислорода в оксиде А:

$n(\text{O в оксиде А}) = \frac{m}{M} = \frac{0,2532 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,015825 \text{ моль}$.

8. Предположим, что металл двухвалентен (щелочноземельный), тогда формула оксида — $MeO$. В этом случае $n(Me) = n(O) = 0,015825 \text{ моль}$. Найдем молярную массу металла:

$M(\text{Me}) = \frac{m(\text{Me})}{n(\text{Me})} = \frac{2,2168 \text{ г}}{0,015825 \text{ моль}} \approx 140,1 \text{ г/моль}$.

Эта молярная масса близка к молярной массе бария ($Ba$, $M=137,3$ г/моль). Погрешность связана с округлениями в условии. Проверим предположение, что металл — барий. Оксид бария $BaO$ реагирует с водой, образуя $Ba(OH)_2$.

$n(BaO) = \frac{m(BaO)}{M(BaO)} = \frac{2,470 \text{ г}}{153,3 \text{ г/моль}} \approx 0,01611 \text{ моль}$.

При реакции с водой образуется $n(Ba(OH)_2) = 0,01611 \text{ моль}$.

Рассмотрим реакцию $Ba(OH)_2$ с $NO_2$: $2NO_2$ диспропорционирует в щелочной среде. Уравнение реакции: $2Ba(OH)_2 + 4NO_2 \rightarrow Ba(NO_3)_2 + Ba(NO_2)_2 + 2H_2O$.

Соотношение реагентов: $\frac{n(Ba(OH)_2)}{n(NO_2)} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}$.

Найденные количества: $\frac{0,01611 \text{ моль}}{0,03228 \text{ моль}} \approx 0,499 \approx \frac{1}{2}$.

Соотношение практически стехиометрическое. Значит, в остатке находятся $Ba(NO_3)_2$ и $Ba(NO_2)_2$.

Расчет масс продуктов: $n(Ba(NO_3)_2) = n(Ba(NO_2)_2) = \frac{n(NO_2)}{4} = \frac{0,03228}{4} = 0,00807 \text{ моль}$.

$m(\text{остатка}) = n(Ba(NO_3)_2) \cdot M(Ba(NO_3)_2) + n(Ba(NO_2)_2) \cdot M(Ba(NO_2)_2)$

$m(\text{остатка}) = 0,00807 \cdot 261,3 + 0,00807 \cdot 229,3 = 2,108 + 1,850 = 3,958 \text{ г}$.

Это значение практически совпадает с данным $m(\text{сухого остатка}) = 3,960 \text{ г}$.

Таким образом, оксид А — это $BaO$ (оксид бария).

Ответ: Вещество А — оксид бария $BaO$. Вещество Б — диоксид азота $NO_2$.

б) Рассчитайте массовую долю растворённого вещества в растворе, полученном в результате растворения оксида А в воде.

1. При растворении оксида бария в воде образуется гидроксид бария:

$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$

2. Растворённым веществом является $Ba(OH)_2$. Найдем его массу. Из 1 моль $BaO$ образуется 1 моль $Ba(OH)_2$.

$n(BaO) = \frac{m(BaO)}{M(BaO)} = \frac{2,470 \text{ г}}{153,3 \text{ г/моль}} \approx 0,01611 \text{ моль}$.

$n(Ba(OH)_2) = n(BaO) = 0,01611 \text{ моль}$.

$m(Ba(OH)_2) = n \cdot M = 0,01611 \text{ моль} \cdot 171,3 \text{ г/моль} \approx 2,760 \text{ г}$.

3. Масса раствора дана в условии: $m(\text{раствора}) = 96,460 \text{ г}$.

4. Рассчитаем массовую долю $Ba(OH)_2$ в растворе:

$\omega(Ba(OH)_2) = \frac{m(Ba(OH)_2)}{m(\text{раствора})} = \frac{2,760 \text{ г}}{96,460 \text{ г}} \approx 0,02861$.

$\omega(Ba(OH)_2) = 0,02861 \cdot 100\% \approx 2,86\%$.

Ответ: Массовая доля гидроксида бария в растворе составляет 2,86%.

в) Если раствор, полученный в результате растворения А в воде, упарить в специальных условиях и охладить, то в осадок выпадает вещество В, содержащее 50,72 % кислорода по массе. Установите формулу В.

1. Исходный раствор содержит $Ba(OH)_2$. При упаривании и охлаждении растворов гидроксидов щелочноземельных металлов часто выпадают их кристаллогидраты.

2. Предположим, что вещество В — это кристаллогидрат гидроксида бария, его формула $Ba(OH)_2 \cdot nH_2O$.

3. Молярная масса вещества В: $M(В) = M(Ba(OH)_2) + n \cdot M(H_2O) = 171,3 + 18n \text{ г/моль}$.

4. Масса кислорода в одной формульной единице вещества В: $m(O) = 2 \cdot M(O) + n \cdot M(O) = 2 \cdot 16 + n \cdot 16 = 32 + 16n$.

5. Составим уравнение, используя данную массовую долю кислорода:

$\omega(O) = \frac{m(O)}{M(В)} = \frac{32 + 16n}{171,3 + 18n} = 0,5072$.

6. Решим уравнение относительно n:

$32 + 16n = 0,5072 \cdot (171,3 + 18n)$

$32 + 16n = 86,88 + 9,13n$

$16n - 9,13n = 86,88 - 32$

$6,87n = 54,88$

$n = \frac{54,88}{6,87} \approx 7,99 \approx 8$.

Число n должно быть целым, $n=8$. Таким образом, вещество В — это октагидрат гидроксида бария.

Ответ: Формула вещества В — $Ba(OH)_2 \cdot 8H_2O$.

г) Приведите уравнение реакций, описанных в задаче.

1. Растворение оксида А (оксида бария) в воде с образованием гидроксида бария:

$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$

2. Поглощение газа Б (диоксида азота) раствором гидроксида бария с образованием нитрата и нитрита бария:

$2Ba(OH)_2 + 4NO_2 \rightarrow Ba(NO_3)_2 + Ba(NO_2)_2 + 2H_2O$

Ответ: $BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$
$2Ba(OH)_2 + 4NO_2 \rightarrow Ba(NO_3)_2 + Ba(NO_2)_2 + 2H_2O$

д) Что образуется при пропускании газа Б через чистую воду? Приведите уравнения соответствующих реакций.

Газ Б — это диоксид азота $NO_2$. При его реакции с водой происходит реакция диспропорционирования, в результате которой образуются две кислоты: азотная ($HNO_3$) и азотистая ($HNO_2$).

$2NO_2 + H_2O \rightleftharpoons HNO_3 + HNO_2$

Азотистая кислота является неустойчивым соединением и может разлагаться, особенно при нагревании или на свету, по следующему уравнению:

$3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO \uparrow + H_2O$

Таким образом, при пропускании диоксида азота через воду в конечном итоге образуется азотная кислота и оксид азота(II).

Ответ: При пропускании $NO_2$ через воду образуются азотная и азотистая кислоты. Уравнение реакции: $2NO_2 + H_2O \rightleftharpoons HNO_3 + HNO_2$. Так как азотистая кислота неустойчива, она может разлагаться: $3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO + H_2O$.