Номер 808, страница 146 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

808. К водному раствору массой 164 г с массовой долей карбоната калия 6,60 % медленно по каплям добавили 68,0 мл 2,31%-ного раствора хлороводорода, имеющего плотность $1023 \text{ г}/\text{дм}^3$. При этом выделился газ объёмом (н. у.) 280 мл.

а) Приведите уравнения химических реакций, которые могли протекать в описанном эксперименте.

б) Рассчитайте массовые доли веществ в образовавшемся растворе.

а) При медленном добавлении сильной кислоты, такой как хлороводородная ($HCl$), к раствору карбоната ($K_2CO_3$) реакция протекает ступенчато. Сначала карбонат-ион протонируется до гидрокарбонат-иона. Эта реакция протекает без выделения газа:

$K_2CO_3 + HCl \rightarrow KHCO_3 + KCl$

Когда вся или основная часть соляной кислоты прореагирует с карбонатом, при дальнейшем добавлении кислоты она начинает реагировать с образовавшимся гидрокарбонатом калия ($KHCO_3$). В этой второй реакции выделяется углекислый газ ($CO_2$):

$KHCO_3 + HCl \rightarrow KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Поскольку по условию задачи выделился газ, это означает, что в эксперименте протекали обе указанные реакции.

Ответ: В описанном эксперименте могли протекать следующие реакции:
$K_2CO_3 + HCl \rightarrow KHCO_3 + KCl$
$KHCO_3 + HCl \rightarrow KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

б) Для расчета массовых долей веществ в конечном растворе проведем необходимые вычисления.

Дано:
$m_{р-ра}(K_2CO_3) = 164 \text{ г}$
$\omega(K_2CO_3) = 6,60 \% = 0,0660$
$V_{р-ра}(HCl) = 68,0 \text{ мл}$
$\omega(HCl) = 2,31 \% = 0,0231$
$\rho_{р-ра}(HCl) = 1023 \text{ г/дм³}$
$V(CO_2) (\text{н. у.}) = 280 \text{ мл}$

$V_{р-ра}(HCl) = 68,0 \text{ мл} = 0,0680 \text{ л}$
$\rho_{р-ра}(HCl) = 1023 \text{ г/дм³} = 1023 \text{ г/л} = 1,023 \text{ г/мл}$
$V(CO_2) = 280 \text{ мл} = 0,280 \text{ л}$

Найти:
$\omega_{конечн}(K_2CO_3), \omega_{конечн}(KHCO_3), \omega_{конечн}(KCl)$

Решение:

1. Определим начальные количества (в молях) реагентов.

Масса чистого карбоната калия в исходном растворе:
$m(K_2CO_3) = m_{р-ра}(K_2CO_3) \cdot \omega(K_2CO_3) = 164 \text{ г} \cdot 0,0660 = 10,824 \text{ г}$

Молярная масса карбоната калия:
$M(K_2CO_3) = 2 \cdot 39,1 + 12,01 + 3 \cdot 16,00 = 138,21 \text{ г/моль}$

Количество вещества карбоната калия:
$n(K_2CO_3) = \frac{m(K_2CO_3)}{M(K_2CO_3)} = \frac{10,824 \text{ г}}{138,21 \text{ г/моль}} \approx 0,07832 \text{ моль}$

Масса раствора хлороводорода:
$m_{р-ра}(HCl) = V_{р-ра}(HCl) \cdot \rho_{р-ра}(HCl) = 68,0 \text{ мл} \cdot 1,023 \text{ г/мл} = 69,564 \text{ г}$

Масса чистого хлороводорода:
$m(HCl) = m_{р-ра}(HCl) \cdot \omega(HCl) = 69,564 \text{ г} \cdot 0,0231 = 1,6069 \text{ г}$

Молярная масса хлороводорода:
$M(HCl) = 1,008 + 35,45 = 36,46 \text{ г/моль}$

Количество вещества хлороводорода:
$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{1,6069 \text{ г}}{36,46 \text{ г/моль}} \approx 0,04407 \text{ моль}$

2. Определим количество выделившегося углекислого газа.

Молярный объем газа при нормальных условиях (н. у.) $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.
$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{0,280 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,0125 \text{ моль}$

3. Проанализируем протекание реакций.

Углекислый газ выделяется только во второй реакции: $KHCO_3 + HCl \rightarrow KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$.
Из уравнения следует, что на образование $0,0125 \text{ моль } CO_2$ было израсходовано:
$n_2(HCl) = n(CO_2) = 0,0125 \text{ моль}$
$n(KHCO_3)_{\text{израсх.}} = n(CO_2) = 0,0125 \text{ моль}$
И образовалось: $n_2(KCl) = n(CO_2) = 0,0125 \text{ моль}$

Общее количество добавленной кислоты ($0,04407 \text{ моль}$) пошло на обе реакции. Количество кислоты, вступившей в первую реакцию:
$n_1(HCl) = n(HCl)_{\text{общ.}} - n_2(HCl) = 0,04407 - 0,0125 = 0,03157 \text{ моль}$

По уравнению первой реакции ($K_2CO_3 + HCl \rightarrow KHCO_3 + KCl$):
$n(K_2CO_3)_{\text{израсх.}} = n_1(HCl) = 0,03157 \text{ моль}$
$n(KHCO_3)_{\text{обр.}} = n_1(HCl) = 0,03157 \text{ моль}$
$n_1(KCl) = n_1(HCl) = 0,03157 \text{ моль}$

4. Рассчитаем количества веществ в конечном растворе.

Остаток карбоната калия:
$n(K_2CO_3)_{\text{ост.}} = n(K_2CO_3)_{\text{исх.}} - n(K_2CO_3)_{\text{израсх.}} = 0,07832 - 0,03157 = 0,04675 \text{ моль}$

Остаток гидрокарбоната калия (образовался в первой реакции и израсходовался во второй):
$n(KHCO_3)_{\text{ост.}} = n(KHCO_3)_{\text{обр.}} - n(KHCO_3)_{\text{израсх.}} = 0,03157 - 0,0125 = 0,01907 \text{ моль}$

Общее количество хлорида калия (образовался в обеих реакциях):
$n(KCl)_{\text{общ.}} = n_1(KCl) + n_2(KCl) = 0,03157 + 0,0125 = 0,04407 \text{ моль}$

5. Найдем массы веществ в конечном растворе.

Молярные массы продуктов:
$M(KHCO_3) = 39,10 + 1,01 + 12,01 + 3 \cdot 16,00 = 100,12 \text{ г/моль}$
$M(KCl) = 39,10 + 35,45 = 74,55 \text{ г/моль}$
$M(CO_2) = 12,01 + 2 \cdot 16,00 = 44,01 \text{ г/моль}$

Массы веществ:
$m(K_2CO_3)_{\text{ост.}} = 0,04675 \text{ моль} \cdot 138,21 \text{ г/моль} = 6,460 \text{ г}$
$m(KHCO_3)_{\text{ост.}} = 0,01907 \text{ моль} \cdot 100,12 \text{ г/моль} = 1,909 \text{ г}$
$m(KCl)_{\text{общ.}} = 0,04407 \text{ моль} \cdot 74,55 \text{ г/моль} = 3,286 \text{ г}$

6. Найдем массу конечного раствора.

Масса раствора изменилась за счет добавления раствора кислоты и улетучивания газа:
$m(CO_2) = n(CO_2) \cdot M(CO_2) = 0,0125 \text{ моль} \cdot 44,01 \text{ г/моль} = 0,550 \text{ г}$
$m_{\text{конечн. р-ра}} = m_{р-ра}(K_2CO_3) + m_{р-ра}(HCl) - m(CO_2)$
$m_{\text{конечн. р-ра}} = 164 \text{ г} + 69,564 \text{ г} - 0,550 \text{ г} = 233,014 \text{ г}$

7. Рассчитаем массовые доли веществ в конечном растворе.

$\omega(\text{вещество}) = \frac{m(\text{вещество})}{m_{\text{конечн. р-ра}}} \cdot 100\%$

$\omega(K_2CO_3) = \frac{6,460 \text{ г}}{233,014 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 2,77\%$

$\omega(KHCO_3) = \frac{1,909 \text{ г}}{233,014 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,820\%$

$\omega(KCl) = \frac{3,286 \text{ г}}{233,014 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 1,41\%$

Ответ: Массовые доли веществ в образовавшемся растворе: карбоната калия ($K_2CO_3$) – 2,77%; гидрокарбоната калия ($KHCO_3$) – 0,820%; хлорида калия ($KCl$) – 1,41%.