Номер 863, страница 153 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

863. Сплав этого металла с медью был известен человеку ещё до нашей эры, хотя сам металл в свободном виде был неизвестен и недоступен. Одним из удобных методов получения небольших количеств водорода в лабораторных условиях является взаимодействие этого металла с кислотами. При действии избытка соляной кислоты на навеску этого металла массой 826 мг выделяется $283 \text{ cm}^3$ (н. у.) водорода.

а) Установите, о каком металле идёт речь в задаче.

б) Как называется сплав этого металла с медью, которым пользовались древние люди ещё до нашей эры?

в) Какие продукты образуются при взаимодействии этого металла с серной кислотой? Кратко поясните ответ и приведите уравнения соответствующих реакций.

Дано

$m(Me) = 826 \text{ мг} = 0.826 \text{ г}$

$V(H_2) = 283 \text{ см}^3 = 0.283 \text{ л}$ (н. у. - нормальные условия)

Найти

а) Неизвестный металл (Me)

б) Название сплава этого металла с медью

в) Продукты реакции этого металла с серной кислотой

Решение

а) Установите, о каком металле идёт речь в задаче.

Для определения металла необходимо рассчитать его молярную массу. Сначала найдём количество вещества выделившегося водорода. При нормальных условиях (н. у.) молярный объём газа $V_m$ составляет $22.4 \text{ л/моль}$.

Количество вещества водорода:

$\nu(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{0.283 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.01263 \text{ моль}$

Запишем общее уравнение реакции металла с соляной кислотой, где $n$ — валентность (степень окисления) металла в образующейся соли:

$Me + nHCl \rightarrow MeCl_n + \frac{n}{2}H_2\uparrow$

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль металла образуется $\frac{n}{2}$ моль водорода. Составим пропорцию для нахождения количества вещества металла:

$\nu(Me) = \frac{\nu(H_2)}{n/2} = \frac{2 \cdot \nu(H_2)}{n} = \frac{2 \cdot 0.01263 \text{ моль}}{n} = \frac{0.02526 \text{ моль}}{n}$

Теперь можно рассчитать молярную массу эквивалента металла, а затем и молярную массу самого металла:

$M(Me) = \frac{m(Me)}{\nu(Me)} = \frac{0.826 \text{ г}}{\frac{0.02526}{n} \text{ моль}} = \frac{0.826 \cdot n}{0.02526} \text{ г/моль} \approx 32.7 \cdot n \text{ г/моль}$

Проверим возможные целочисленные значения валентности $n$:

• Если $n = 1$, $M(Me) = 32.7 \cdot 1 = 32.7 \text{ г/моль}$. Металла с такой молярной массой не существует.
• Если $n = 2$, $M(Me) = 32.7 \cdot 2 = 65.4 \text{ г/моль}$. Эта масса практически совпадает с молярной массой цинка (Zn), которая равна $65.38 \text{ г/моль}$. Цинк — металл, проявляющий в соединениях степень окисления +2, и он активно реагирует с соляной кислотой.
• Если $n = 3$, $M(Me) = 32.7 \cdot 3 = 98.1 \text{ г/моль}$. Это значение близко к молярной массе технеция (Tc), который является радиоактивным и не мог использоваться в древности.

Таким образом, неизвестный металл — это цинк (Zn).

Ответ: В задаче речь идет о цинке (Zn).

б) Как называется сплав этого металла с медью, которым пользовались древние люди ещё до нашей эры?

Сплав цинка с медью называется латунь. Хотя в чистом виде цинк был выделен значительно позже, его руды (например, каламин) использовались для получения латуни ещё в Древнем Риме и, возможно, ранее. Латунь ценилась за свой золотистый цвет и коррозионную стойкость.

Ответ: Сплав цинка с медью называется латунь.

в) Какие продукты образуются при взаимодействии этого металла с серной кислотой? Кратко поясните ответ и приведите уравнения соответствующих реакций.

Продукты взаимодействия цинка с серной кислотой зависят от её концентрации.

1. С разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$). Цинк находится в ряду активности металлов левее водорода, поэтому он вытесняет водород из разбавленных кислот. Происходит реакция замещения.

Продукты: сульфат цинка ($ZnSO_4$) и водород ($H_2$).

Уравнение реакции:

$Zn + H_2SO_{4(\text{разб.})} \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$

2. С концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$). Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. В этой реакции цинк окисляется до $Zn^{2+}$, а сера в серной кислоте (степень окисления +6) восстанавливается. Продукты восстановления серы могут быть разными в зависимости от условий (концентрации кислоты, температуры), но для цинка как металла средней активности наиболее характерен диоксид серы ($SO_2$). Также возможно образование элементной серы (S) или сероводорода ($H_2S$).

Продукты: сульфат цинка ($ZnSO_4$), вода ($H_2O$) и один из продуктов восстановления серы ($SO_2, S \text{ или } H_2S$).

Уравнения реакций:

$Zn + 2H_2SO_{4(\text{конц.})} \rightarrow ZnSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

$3Zn + 4H_2SO_{4(\text{конц.})} \rightarrow 3ZnSO_4 + S\downarrow + 4H_2O$

$4Zn + 5H_2SO_{4(\text{конц.})} \rightarrow 4ZnSO_4 + H_2S\uparrow + 4H_2O$

Ответ: При взаимодействии цинка с разбавленной серной кислотой образуются сульфат цинка и водород ($Zn + H_2SO_{4(\text{разб.})} \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$). При взаимодействии с концентрированной серной кислотой образуются сульфат цинка, вода и продукты восстановления серы — диоксид серы, сера или сероводород (например, $Zn + 2H_2SO_{4(\text{конц.})} \rightarrow ZnSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$).