Номер 880, страница 159 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

880. Навеску медного порошка массой 14,48 г поместили в трубчатую печь и нагрели непродолжительное время в токе кислорода. Затем печь охладили в токе чистого азота до комнатной температуры. После извлечения полученного твердого продукта из печи его масса оказалась равной 17,27 г.

а) Какие вещества содержатся в продукте, полученном в описанном эксперименте? Приведите уравнения протекающих реакций.

б) Водород какого максимального объема (н. у.) может прореагировать при нагревании с полученным твердым продуктом?

в) Если полученный твердый продукт поместить в 10%-ый водный раствор серной кислоты, то образуется голубой раствор и кирпично-красный остаток. Приведите уравнения протекающих при этом химических реакций.

г) Какой минимальный объем концентрированной азотной кислоты (с массовой долей 65 % и плотностью $1,64 \text{ г/см}^3$) потребуется для полного растворения полученного твердого продукта? Приведите уравнения химических реакций, протекающих при таком растворении.

Дано:

$m(Cu)_{\text{исх}} = 14,48 \text{ г}$

$m(\text{продукт}) = 17,27 \text{ г}$

$\omega(H_2SO_4) = 10 \% $

$\omega(HNO_3) = 65 \% $

$\rho(HNO_3 \text{ р-р}) = 1,64 \text{ г/см}^3$

Найти:

а) Вещества в продукте и уравнения реакций

б) $V_{\text{макс}}(H_2)$

в) Уравнения реакций с $H_2SO_4$

г) $V_{\text{мин}}(HNO_3 \text{ р-р})$ и уравнения реакций

Решение:

а) При нагревании медного порошка в токе кислорода происходит его частичное окисление. Поскольку нагрев был непродолжительным, не вся медь успела прореагировать. Медь может образовывать два оксида: оксид меди(II) ($CuO$, черный) и оксид меди(I) ($Cu_2O$, кирпично-красный). Указание в пункте (в) на образование голубого раствора и кирпично-красного осатка при реакции с серной кислотой подтверждает наличие в смеси как оксида меди(II) (дает ионы $Cu^{2+}$ в раствор), так и оксида меди(I) (диспропорционирует с образованием $Cu^{2+}$ и металлической меди). Таким образом, полученный твёрдый продукт является смесью непрореагировавшей меди ($Cu$), оксида меди(II) ($CuO$) и оксида меди(I) ($Cu_2O$).

Уравнения протекающих реакций окисления меди:

$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

$4Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2Cu_2O$

Ответ: Продукт содержит медь ($Cu$), оксид меди(II) ($CuO$) и оксид меди(I) ($Cu_2O$). Уравнения реакций: $2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO$; $4Cu + O_2 \rightarrow 2Cu_2O$.

б) При нагревании с водородом реагируют только оксиды меди, восстанавливаясь до металлической меди. Металлическая медь с водородом не реагирует.

Уравнения реакций восстановления:

$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$

$Cu_2O + H_2 \xrightarrow{t} 2Cu + H_2O$

Из уравнений видно, что один моль атомов кислорода в оксидах реагирует с одним молем молекулярного водорода ($H_2$). Следовательно, для нахождения максимального объёма водорода нужно найти общее количество вещества атомов кислорода, присоединившегося к меди.

Масса присоединившегося кислорода равна разнице масс продукта и исходной меди:

$m(O) = m(\text{продукт}) - m(Cu)_{\text{исх}} = 17,27 \text{ г} - 14,48 \text{ г} = 2,79 \text{ г}$

Количество вещества атомов кислорода (используя молярную массу $M(O) = 16 \text{ г/моль}$):

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{2,79 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,174375 \text{ моль}$

Количество вещества водорода, необходимое для реакции, равно количеству вещества атомов кислорода:

$n(H_2) = n(O) = 0,174375 \text{ моль}$

Максимальный объём водорода при нормальных условиях (н. у.), используя молярный объём газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:

$V(H_2) = n(H_2) \cdot V_m = 0,174375 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 3,906 \text{ л}$

Ответ: Максимальный объём водорода (н. у.) составляет 3,91 л.

в) При помещении твёрдого продукта в 10%-ый водный раствор серной кислоты протекают следующие реакции:

1. Оксид меди(II) реагирует с кислотой с образованием сульфата меди(II) (вещество, придающее раствору голубой цвет) и воды:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

2. Оксид меди(I) вступает в реакцию диспропорционирования в кислой среде, образуя сульфат меди(II) и металлическую медь (кирпично-красный осадок):

$Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + Cu\downarrow + H_2O$

3. Металлическая медь, изначально присутствовавшая в смеси, не реагирует с разбавленной серной кислотой и остаётся в осадке, составляя часть кирпично-красного остатка.

Ответ: Уравнения химических реакций: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$; $Cu_2O + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + Cu\downarrow + H_2O$.

г) Для полного растворения твёрдого продукта (смеси $Cu$, $CuO$, $Cu_2O$) требуется концентрированная азотная кислота, которая является сильным окислителем и реагирует со всеми компонентами.

Уравнения реакций:

1. Реакция меди с концентрированной азотной кислотой:

$Cu + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

2. Реакция оксида меди(II) с азотной кислотой (без изменения степени окисления):

$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

3. Реакция оксида меди(I) с концентрированной азотной кислотой (с окислением меди):

$Cu_2O + 6HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow 2Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 3H_2O$

Для расчёта общего количества кислоты найдём общее количество вещества меди и кислорода в смеси.

Исходное количество вещества меди (используя $M(Cu) = 64 \text{ г/моль}$):

$n(Cu)_{\text{общ}} = \frac{14,48 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} = 0,22625 \text{ моль}$

Количество вещества атомов кислорода в оксидах (из пункта б):

$n(O) = 0,174375 \text{ моль}$

Общее количество $HNO_3$ можно рассчитать, зная, что вся медь переходит в $Cu(NO_3)_2$, а азот из $HNO_3$ расходуется на образование нитрат-ионов в соли и на образование $NO_2$. Общее количество вещества $HNO_3$ равно сумме молей атома азота в продуктах:

$n(HNO_3)_{\text{общ}} = n(N \text{ в } Cu(NO_3)_2) + n(N \text{ в } NO_2)$

Количество азота, пошедшее на образование соли: $n(N \text{ в } Cu(NO_3)_2) = 2 \cdot n(Cu)_{\text{общ}} = 2 \cdot 0,22625 = 0,4525 \text{ моль}$.

Количество $NO_2$ определяется количеством электронов, отданных при окислении $Cu^0$ и $Cu^{+1}$ до $Cu^{+2}$. Это количество можно найти, не зная точного состава смеси: $n(NO_2) = n(e^-) = 2(n(Cu)_{\text{общ}} - n(O))$.

Рассчитаем $n(NO_2)$:

$n(NO_2) = 2 \cdot (0,22625 - 0,174375) = 2 \cdot 0,051875 = 0,10375 \text{ моль}$

Теперь найдём общее количество вещества азотной кислоты:

$n(HNO_3)_{\text{общ}} = 0,4525 \text{ моль} + 0,10375 \text{ моль} = 0,55625 \text{ моль}$

Масса чистой $HNO_3$ (используя $M(HNO_3) = 63 \text{ г/моль}$):

$m(HNO_3) = n(HNO_3)_{\text{общ}} \cdot M(HNO_3) = 0,55625 \text{ моль} \cdot 63 \text{ г/моль} = 35,04375 \text{ г}$

Масса 65%-го раствора азотной кислоты:

$m(\text{р-ра}) = \frac{m(HNO_3)}{\omega(HNO_3)} = \frac{35,04375 \text{ г}}{0,65} \approx 53,913 \text{ г}$

Объём этого раствора:

$V(\text{р-ра}) = \frac{m(\text{р-ра})}{\rho} = \frac{53,913 \text{ г}}{1,64 \text{ г/см}^3} \approx 32,87 \text{ см}^3$

Ответ: Минимальный объём концентрированной азотной кислоты составляет 32,9 см³ (мл). Уравнения реакций: $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$; $CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$; $Cu_2O + 6HNO_3 \rightarrow 2Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 3H_2O$.