Номер 524, страница 99 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

524. На образцы кристаллической, питьевой и кальцинированной соды, имеющих одинаковую массу, подействовали избытком раствора серной кислоты. В каком случае объём (н. у.) выделившегося газа будет наибольшим? Постарайтесь ответить, не проводя математических расчётов.

Решение

В задаче рассматриваются три вида соды: кристаллическая, питьевая и кальцинированная. Все они вступают в реакцию с избытком серной кислоты с выделением углекислого газа ($CO_2$). Требуется определить, в каком случае при одинаковой массе исходной соды выделится наибольший объем газа.

Запишем химические формулы для каждого вида соды:

• Кристаллическая сода: гидрат карбоната натрия, $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$.
• Питьевая сода: гидрокарбонат натрия, $NaHCO_3$.
• Кальцинированная сода: безводный карбонат натрия, $Na_2CO_3$.

Уравнения реакций с серной кислотой ($H_2SO_4$):

$Na_2CO_3 \cdot 10H_2O + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 11H_2O + CO_2 \uparrow$

$2NaHCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O + 2CO_2 \uparrow$

$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Объем выделившегося газа ($CO_2$) при нормальных условиях прямо пропорционален его количеству вещества (числу молей). Количество вещества газа, в свою очередь, определяется количеством вещества исходной соды и стехиометрией реакции.

Поскольку по условию массы образцов соды одинаковы, количество выделившегося газа будет зависеть от массовой доли той части молекулы, которая превращается в $CO_2$. Чем выше эта массовая доля, тем больше газа выделится из одинаковой массы вещества.

1. Сравним кристаллическую и кальцинированную соду. Обе содержат карбонат натрия $Na_2CO_3$. Однако в кристаллической соде ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$) значительную часть массы составляет кристаллизационная вода ($H_2O$), которая не участвует в образовании газа. Следовательно, в одинаковой массе образца кальцинированной соды содержится больше $Na_2CO_3$, чем в кристаллической. Значит, кальцинированная сода выделит больше газа, чем кристаллическая.

2. Сравним кальцинированную соду ($Na_2CO_3$) и питьевую соду ($NaHCO_3$). Из уравнений реакций видно, что 1 моль $Na_2CO_3$ дает 1 моль $CO_2$, а 1 моль $NaHCO_3$ также дает 1 моль $CO_2$ (так как по уравнению 2 моль $NaHCO_3$ дают 2 моль $CO_2$). Чтобы определить, из какого вещества получится больше газа при равной массе, нужно понять, в каком из них выше массовая доля «газообразующей» части.

Сравним "негазообразующие" части молекул, связанные с одним карбонат- или гидрокарбонат-ионом:

• В $Na_2CO_3$ с карбонат-ионом ($CO_3^{2-}$) связаны два иона натрия ($Na_2^{2+}$).
• В $NaHCO_3$ с гидрокарбонат-ионом ($HCO_3^-$) связаны ион натрия и ион водорода ($Na^+$, $H^+$).

Атомная масса натрия (≈23) значительно больше атомной массы водорода (≈1). Следовательно, "балластная" часть в молекуле $Na_2CO_3$ (два атома натрия) тяжелее, чем в молекуле $NaHCO_3$ (один атом натрия и один атом водорода). Это означает, что при одинаковой общей массе в образце питьевой соды содержится больше «углеродной» части, способной превратиться в $CO_2$.

Таким образом, выстраивается следующий ряд по увеличению объема выделяемого газа (при равной массе исходных веществ):

Кристаллическая сода < Кальцинированная сода < Питьевая сода.

Ответ: Наибольший объем газа выделится в случае с питьевой содой ($NaHCO_3$).