Состав равновесной смеси можно выразить, используя:

а) степень диссоциации ()

б) степень превращения ()

в) выход продукта (х)

Рассмотрим на примерах все эти случаи:

а) по степени диссоциации

Степень диссоциации () – это доля продиссоциировавших молекул от исходного числа молекул. Ее можно выразить через количество вещества

где n дисс – число распавшихся молей исходного вещества;n исх – число молей исходного вещества до реакции.

Пусть до реакции было, например, 5 моль NO 2 , а α – степень диссоциации NO 2 .

По уравнению (1.20)
, непрореагировавшим NO 2 останется (5 – 5).

По уравнению реакции при диссоциации 2 молей NO 2 получается 2 моля NO и 1 моль O 2 , а из 5 получается соответственно 5 молей NO и молей О 2 . Равновесная строчка будет такой:

б ) по степени превращения

Степень превращения вещества () – это доля прореагировавших молекул данного веществa к исходному числу молекул этого вещества. Выражаем через количество вещества в молях

(1.21)

Пусть взято 2 моля СО и 2 моля Н 2,  - степень превращения водорода в реакции

Поясним равновесную строчку. Исходим из вещества, для которого известна степень превращения, т. е. Н 2 . Из уравнения (1.21) получаем n реаг = n исх · = 2 .

Из стехиометрического уравнения видно, что СО расходуется в 3 раза меньше, чем Н 2 , то есть если Н 2 реагирует 2, то СО прореагирует, а остальное останется к моменту равновесия не прореагировавшим. Также рассуждаем в отношении продуктов, используя стехиометрическое уравнение.

в) по выходу продукта .

Выход продукта (х) – количество конечного вещества в молях. Пусть "х" выход метанола в реакции

во всех трех случаях рассуждения аналогичны и исходят из вещества, для которого что-либо известно (в примерах эта величина подчеркнута).

Зная состав равновесной смеси, можно выразить константу равновесия. Так, для случая "в"

а из уравнения (1.19)

Выход вещества в долях (или %) – отношение количества образовавшегося продукта к общему количеству вещества в равновесной смеси:

В данном примере:

1.3.4 Влияние различных факторов на смещение равновесия (на состав равновесной смеси)

Влияние давления (или объема) при Т= const

Если система является идеальной, то константа равновесия К р не зависит от давления (или объема). Если же реакция идет при высоких давлениях, то надо пользоваться уравнением:

, (1.22)

где f – фугитивность.

Kf не зависит от давления, величина же K p от давления зависит, но по мере уменьшения давления приближается к величине К f , поскольку реальная газовая смесь приближается к идеальному состоянию, f  p . Так, для реакции:

при 350 атм K f = 0,00011 K Р = 0,00037

При невысоких давлениях можно считать К Р не зависящей от давления, то есть
. В дальнейшем будем рассматривать именно этот случай.

Из соотношения (1.12) видно, что величины
,
будут зависеть от давления, поэтому, не влияя на константу равновесия , изменение давления может влиять на состав равновесной смеси, на выход продуктов.

(1.23)

Уравнение (1.23) показывает, что влияние давления на
обусловлено величинойn:

n  0, реакция идет с увеличением числа молей газообразных продуктов, например:

, то есть при повышении общего давления К х уменьшается, уменьшается и количество продуктов в равновесной смеси, то есть равновесие смещается влево, в сторону образования COCl 2 .

n = 0-2-1= -3

, то есть с увеличением давления K x (и выход продукта) увеличивается.

K = K = const. В данном случае состав равновесной смеси не зависит от давления.

Добавление инертного газа при Р = const влияет на смещение равновесия аналогично уменьшению давления. Инертным газом в химическом равновесии считаются газы, не взаимодействующие с реагентами или продуктами реакции.

Увеличение объема при постоянном давлении влияет на смещение равновесия аналогично уменьшению давления.

Влияние соотношения между компонентами

На состав равновесной смеси оказывает влияние и соотношение взятых для реакции реагентов.

Наибольший выход продуктов будет при стехиометрическом соотношении. Так для реакции

соотношение водорода и азота 3:1 даст наибольший выход аммиака.

В ряде случаев необходима высокая степень превращения одного из реагентов даже в ущерб выходу продукта.

Например, при образовании хлористого водорода по реакции

необходимо более полное превращение хлора, чтобы в равновесной смеси было как можно меньше Cl 2 . Равновесная смесь растворяется в воде и таким образом получается соляная кислота. При этом водород почти не растворяется в воде и не содержится в кислоте, в то время как свободный хлор растворяется и ухудшается качество соляной кислоты.

Для достижения максимальной степени превращения Cl 2 берут второй реагент, Н 2 , в большом избытке.

Увеличение степени превращения обоих компонентов можно добиться, если выводить из реакционной зоны продукты реакции, связывая их в малодиссоциирующие, труднорастворимые или нелетучие вещества.

Влияние температуры на равновесие

Опыт показывает, что температура оказывает большое влияние на состав равновесной смеси, в одних реакциях увеличивая содержание продуктов реакции, в других - уменьшая. Количественно эта зависимость отражается уравнениями изобары (1.24) и изохоры (1.25) Вант-Гоффа:

(1.24)
(1.25)

Из этих уравнений видно, что изменение константы равновесия при увеличении температуры (а значит и изменение выхода продукта реакции) определяется знаком теплового эффекта H и U:

H0 или U0 - реакция эндотермическая (с поглощением тепла). Правые части уравнений больше нуля, это означает, что и производные больше нуля:

> 0;
> 0

Таким образом, функции lnK p и lnK c (а также K p и K c) увеличиваются с ростом температуры.

H0 или U0 - реакция экзотермическая (с выделением тепла).

< 0;
< 0

Константа равновесия убывает с ростом температуры, т.е. убывает содержание продуктов реакции в равновесной смеси, а увеличивается содержание исходных веществ.

Таким образом, повышение температуры способствует более полному протеканию эндотермических процессов. Проинтегрируем уравнение изобары.

Пусть Hf(Т) разделим переменные и интегрируем,

;
(1.26)

Как видим, константа равновесия зависит от температуры по экспоненциальному закону:
, а в координатах ln K = f() зависимость линейная (уравнение 1.26, рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 – Температурная зависимость константы равновесия

Определенное интегрирование уравнения изобары дает:

(1.27)

Зная величину константы равновесия при одной какой-либо температуре, можно найти К р при любой другой при известном значении H.

разованием воды. Раствор, полученный после пропускания газов через воду, имел кислую реакцию. При обработке этого раствора нитратом серебра выпало 14,35 г белого осадка. Определить количественный и качественный состав исходной смеси газов. Решение.

Газ, который горит с образованием воды, - водород, он мало растворим в воде. Реагируют на солнечном свету со взрывом водород с кислородом, водород с хлором. Очевидно, что в смеси с водородом был хлор, т.к. образующийся НС1 хорошо растворим в воде и с AgN03 дает белый осадок.

Таким образом, смесь состоит из газов Н2 и С1:

1 моль 1 моль

НС1 + AgN03 -» AgCl 4- HN03.

х моль 14,35

При обработке 1 моль НС1 образуется 1 моль AgCl, а при обработке х моль 14,35 г или 0,1 моль. Mr(AgCl) = 108 + 2 4- 35,5 = 143,5, M(AgCl) = 143,5 г/моль,

v= - = = 0,1 моль,

х = 0,1 моль НС1 содержалось в растворе. 1 моль 1 моль 2 моль Н2 4- С12 2НС1 х моль у моль 0,1 моль

х = у = 0,05 моль (1,12 л) водорода и хлора вступило в реакцию при образовании 0,1 моль

НС1. В смеси было 1,12 л хлора, а водорода 1,12 л + 1,12 л (избыток) = 2,24 л.

Пример 6. В лаборатории имеется смесь хлорида и йодида натрия. 104,25 г этой смеси растворили в воде и пропустили через полученный раствор избыток хлора, затем раствор выпарили досуха и остаток прокалили до постоянной массы при 300 °С.

Масса сухого вещества оказалось равной 58,5 г. Определить состав исходной смеси в процентах.

Mr(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5, M(NaCl) = 58,5 г/моль, Mr(Nal) = 127 + 23 = 150 M(Nal) = 150 г/моль.

В исходной смеси: масса NaCl - х г, масса Nal - (104,25 - х) г.

При пропускании через раствор хлорида и йодида натрия йод вытесняется им. При пропускании сухого остатка йод испарился. Таким образом, сухим веществом может быть только NaCl.

В полученном веществе: масса NaCl исходного х г, масса полученного (58,5-х):

2 150 г 2 58,5 г

2NaI + С12 -> 2NaCl + 12

(104,25 - х) г (58,5 - х) г

2 150 (58,5 - х) = 2 58,5 (104,25-х)

х = - = 29,25 (г),

т.е. NaCl в смеси было 29,25 г, a Nal - 104,25 -- 29,25 = 75 (г).

Найдем состав смеси (в процентах):

w(Nal) = 100 % = 71,9 %,

©(NaCl) = 100 % - 71,9 % = 28,1 %.

Пример 7. 68,3 г смеси нитрата, йодида и хлорида калия растворено в воде и обработано хлорной водой. В результате выделилось 25,4 г йода (растворимостью которого в воде пренебречь). Такой же раствор обработан нитратом серебра. Выпало 75,7 г осадка. Определить состав исходной смеси.

С нитратом калия и хлоридом калия хлор не взаимодействует:

2KI + С12 -» 2КС1 + 12,

2 моль - 332 г 1 моль - 254 г

Мг(К1) = 127 + 39 - 166,

х = = 33,2 г (KI было в смеси).

v(KI) - - = = 0,2 моль.

1 моль 1 моль

KI + AgN03 = Agl + KN03.

0,2 моль х моль

х = = 0,2 моль.

Mr(Agl) = 108 + 127 = 235,

m(Agl) = Mv = 235 0,2 = 47 (r),

тогда AgCl будет

75,7 г - 47 г = 28,7 г.

74,5 г 143,5 г

KCl + AgN03 = AgCl + KN03

Х = 1 L_ = 14,9 (KCl).

Следовательно, в смеси было: 68,3 - 33,2 - 14,9 = 20,2 г KN03 .

Пример 8. На нейтрализацию 34,5 г олеума расходуется 74,5 мл 40%-ного раствора гидроксида калия. Сколько молей оксида серы (VI) приходится на 1моль серной кислоты?

100%-ная серная кислота растворяет оксид серы (VI) в любых соотношениях. Состав, выражаемый формулой H2S04*xS03, носит название олеума. Рассчитаем, сколько гидроксида калия необходимо для нейтрализации H2S04:

1 моль 2 моль

H2S04 + 2КОН -> K2S04 + 2Н20 xl моль у моль

у - 2*х1 моль КОН идет на нейтрализацию S03 в олеуме. Рассчитаем, сколько КОН необходимо для нейтрализации 1моль S03:

1 моль 2 моль

S03 4- 2КОН -> K2SO4 + Н20 х2 моль z моль

z - 2 x2 моль KOH идет на нейтрализацию SOg в олеуме. На нейтрализацию олеума идет 74,5 мл 40% -ного раствора КОН, т.е. 42 г или 0,75 моль КОН.

Следовательно, 2 xl + 2х 2 = 0,75,

98 xl + 80 х2 = 34,5 г,

xl = 0,25 моль H2S04,

х2 = 0,125 моль S03.

Пример 9. Имеется смесь карбоната кальция, сульфида цинка и хлорида натрия. Если на 40 г этой смеси подействовать избытком соляной кислоты, выделится 6,72 л газов, при взаимодействии которых с избытком оксида серы (IV) выделяется 9,6 г осадка. Определить состав смеси.

При действии на смесь избытка соляной кислоты могли выделиться оксид углерода (IV) и сероводород. С оксидом серы (IV) взаимодействует только сероводород, поэтому по количеству выделившегося осадка можно рассчитать его объем:

СаС03 + 2НС1 -> СаС12 + Н20 + C02t(l)

100 г - 1 моль 22,4 л - 1 моль

ZnS + 2НС1 -> ZnCl2 + H2St (2)

97 г - 1 моль 22,4 л - 1 моль

44,8 л - 2 моль 3 моль

2H2S + S02 -» 3S + 2Н20 (3)

xl л 9,6 г (0,3 моль)

xl = 4,48 л (0,2 моль) H2S; из уравнений (2 - 3) видно, что ZnS было 0,2 моль (19,4 г):

2H2S + S02 -> 3S + 2Н20.

Очевидно, что оксида углерода (IV) в смеси было:

6,72 л - 4,48 л = 2,24 л (С02).

Учимся решать задачи на смеси органических веществ

Обобщение опыта преподавания органической химии в профильных биолого-химических классах

Одним из главных критериев усвоения химии как учебной дисциплины является умение учащихся решать расчетные и качественные задачи. В процессе преподавания в профильных классах с углубленным изучением химии это имеет особую актуальность, т. к. на всех вступительных экзаменах по химии предлагаются задачи повышенного уровня сложности. Наибольшую трудность при изучении органической химии вызывают задачи на определение количественного состава многокомпонентной смеси веществ, качественное распознавание смеси веществ и разделение смесей. Это связано с тем, что для решения таких задач необходимо глубоко понимать химические свойства изучаемых веществ, уметь анализировать, сравнивать свойства веществ разных классов, а также иметь хорошую математическую подготовку. Очень важный момент в обучении – обобщение сведений о классах органических веществ. Рассмотрим методические приемы формирования у учащихся умения решать задачи на смеси органических соединений.

Углеводороды

• Где какое вещество (качественный состав)?
• Сколько вещества в растворе (количественный состав)?
• Как разделить смесь?

ЭТАП 1. Обобщение знаний о химических свойствах углеводородов с помощью таблицы (табл. 1).

ЭТАП 2. Решение качественных задач.

Задача 1 . Газовая смесь содержит этан, этилен и ацетилен. Как доказать присутствие в данной смеси каждого из газов? Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

Из оставшихся газов бромную воду будет обесцвечивать только этилен:

С 2 Н 4 + Вr 2 = С 2 Н 4 Вr 2 .

Третий газ – этан – горит:

2С 2 Н 6 + 7О 2 4СО 2 + 6Н 2 О.

Таблица 1

Химические свойства углеводородов

Реагент	Представители углеводородов
	СН 3 СН 3 этан	СН 2 =СН 2 этилен	СНСН ацетилен	С 6 Н 6 бензол	С 6 Н 5 СН 3 толуол	С 6 Н 5 СН=СН 2 стирол	С 6 Н 10 циклогексен
Br 2 (водн.)	–	+	+	–	–	+	+
KMnO 4	–	+	+	–	+	+	+
Ag 2 O (р-р в NH 3 водн.)	–	–	+	–	–	–	–
Na	–	–	+	–	–	–	–
O 2	+	+	+	+	+	+	+

Задача 2. Выделите в чистом виде компоненты смеси, состоящей из ацетилена, пропена и пропана. Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

При пропускании смеси через аммиачный раствор оксида серебра поглощается только ацетилен:

С 2 Н 2 + Аg 2 O = С 2 Аg 2 + НОН.

Для регенерации ацетилена полученный ацетиленид серебра обрабатывают соляной кислотой:

С 2 Аg 2 + 2НСl = С 2 H 2 + 2AgCl.

При пропускании оставшихся газов через бромную воду поглотится пропен:

С 3 Н 6 + Br 2 = С 3 H 6 Br 2 .

Для регенерации пропена полученный дибромпропан обрабатывают цинковой пылью:

С 3 Н 6 Вr 2 + Zn = С 3 Н 6 + ZnBr 2 .

ЭТАП 3. Решение расчетных задач.

Задача 3. Известно, что 1,12 л (н.у.) смеси ацетилена с этиленом в темноте полностью связывается с 3,82 мл брома ( = 3,14 г/мл). Во сколько раз уменьшится объем смеси после пропускания ее через аммиачный раствор оксида серебра?

Решение

С бромом реагируют оба компонента смеси. Составим уравнения реакций:

С 2 Н 4 + Br 2 = С 2 Н 4 Вr 2 ,

С 2 Н 2 + 2Вr 2 = С 2 Н 2 Вr 4 .

Обозначим количество вещества этилена через х моль, а количество вещества ацетилена через
y моль. Из химических уравнений видно, что количество вещества реагирующего брома будет в первом случае х моль, а во втором – 2y моль. Количество вещества газовой смеси:

= V /V M = 1,12/22,4 = 0,05 моль,

а количество вещества брома:

(Br 2) = V /M = 3,82 3,14/160 = 0,075 моль.

Составим систему уравнений с двумя неизвестными:

Решая систему, получим, что количество вещества этилена в смеси равно количеству вещества ацетилена (по 0,025 моль). С аммиачным раствором серебра реагирует только ацетилен, поэтому при пропускании газовой смеси через раствор Ag 2 O объем газа уменьшится ровно в два раза.

Задача 4. Газ, выделившийся при сгорании смеси бензола и циклогексена, пропустили через избыток баритовой воды. При этом получили 35,5 г осадка. Найдите процентный состав исходной смеси, если такое же ее количество может обесцветить 50 г раствора брома в тетрахлориде углерода с массовой долей брома 3,2%.

Решение

С 6 Н 10 + Br 2 = C 6 H 10 Br 2 .

Количество вещества циклогексена равно количеству вещества брома:

(Br 2) = m /M = 0,032 50/160 = 0,01 моль.

Масса циклогексена составляет 0,82 г.

Запишем уравнения реакций сжигания углеводородов:

С 6 Н 6 + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О,

С 6 Н 10 + 8,5О 2 = 6СО 2 + 5Н 2 О.

0,01 моль циклогексена образует при сжигании 0,06 моль углекислого газа. Выделяющийся углекислый газ образует осадок с баритовой водой по уравнению:

СО 2 + Ba(OH) 2 = BaСО 3 + Н 2 О.

Количество вещества осадка карбоната бария (BaCO 3) = m /M = 35,5/197 = 0,18 моль равно количеству вещества всего углекислого газа.

Количество вещества углекислого газа, образовавшегося при сгорании бензола, составляет:

0,18 – 0,06 = 0,12 моль.

По уравнению реакции горения бензола рассчитываем количество вещества бензола – 0,02 моль. Масса бензола – 1,56 г.

Масса всей смеси:

0,82 + 1,56 = 2,38 г.

Массовые доли бензола и циклогексена равны соответственно 65,5% и 34,5%.

Кислородсодержащие
органические соединения

Решение задач на смеси в теме «Кислородсодержащие органические соединения» происходит аналогичным образом.

ЭТАП 4. Составление сравнительно-обобщающей таблицы (табл. 2).

ЭТАП 5. Распознавание веществ.

Задача 5. С помощью качественных реакций докажите присутствие в данной смеси фенола, муравьиной кислоты и уксусной кислоты. Напишите уравнения реакций, укажите признаки их протекания.

Решение

Из компонентов смеси фенол реагирует с бромной водой с образованием белого осадка:

С 6 Н 5 ОН + 3Вr 2 = С 6 Н 2 Вr 3 ОН + 3НВr.

Наличие муравьиной кислоты можно установить при помощи аммиачного раствора оксида серебра:

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HCO 3 + 3NН 3 + НОН.

Cеребро выделяется в виде осадка или зеркального налета на стенках пробирки.

Если после добавления избытка аммиачного раствора оксида серебра смесь дает вскипание c раствором питьевой соды, то можно утверждать, что в смеси присутствует уксусная кислота:

СН 3 СООН + NaНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + Н 2 O.

Таблица 2

Химические свойства кислородсодержащих
органических веществ

Реагент	Представители кислородсодержащих соединений
	СН 3 ОН метанол	С 6 Н 5 ОН фенол	НСНО метаналь	НСООН муравьиная кислота	СН 3 СНО ацет- альдегид	НСООСН 3 метил- формиат	С 6 Н 12 О 6 глюкоза
Na	+	+	–	+	–	–	+
NaOH	–	+	–	+	–	+	–
NaHCO 3	–	–	–	+	–	–	–
Ba 2 (водн.)	–	+	+	+	+	+	+
Ag 2 O (р-р в NH 3 водн.)	–	–	+	+	+	+	+

Задача 6. В четырех пробирках без надписей находятся этанол, ацетальдегид, уксусная кислота и муравьиная кислота. При помощи каких реакций можно различить вещества в пробирках? Составьте уравнения реакций.

Решение

Анализируя особенности химических свойств данных веществ, приходим к выводу, что для решения проблемы следует воспользоваться раствором гидрокарбоната натрия и аммиачным раствором оксида серебра. Ацетальдегид реагирует только с оксидом серебра, уксусная кислота – только с гидрокарбонатом натрия, а муравьиная кислота – и с тем, и с другим реактивом. Вещество, не вступающее в реакцию ни с одним из реактивов, – этанол.

Уравнения реакций:

СН 3 СНО + 2Аg(NН 3) 2 ОН = СН 3 СООNH 4 + 2Аg + 3NН 3 + НОН,

СН 3 СООН + NаНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + НОН,

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HСО 3 + 3NН 3 +НОН,

НСООН + NаНСО 3 = НСООNа + СО 2 + НОН.

ЭТАП 6. Определение количественного состава смеси.

Задача 7. На нейтрализацию 26,6 г смеси уксусной кислоты, ацетальдегида и этанола израсходовано 44,8 г 25%-го раствора гидроксида калия. При взаимодействии такого же количества смеси с избытком металлического натрия выделилось 3,36 л газа при н.у. Вычислите массовые доли веществ в данной смеси.

Решение

С металлическим Na будут реагировать уксусная кислота и этанол, а с КОН – только уксусная кислота. Составим уравнения реакций:

СН 3 СООН + Nа = СН 3 СООNа + 1/2H 2 , (1)

С 2 Н 5 ОН + Nа = С 2 Н 5 ONa + 1/2Н 2 , (2)

Задача 8. Смесь пиридина и анилина массой 16,5 г обработали 66,8 мл 14%-й хлороводородной кислоты ( = 1,07 г/мл). Для нейтрализации смеси потребовалось добавить 7,5 г триэтиламина. Рассчитайте массовые доли солей в полученном растворе.

Решение

Составим уравнения реакций:

С 5 Н 5 N + НСl = (С 5 Н 5 NH)Cl,

С 6 Н 5 NH 2 + НСl = (С 6 Н 5 NН 3)Cl,

(С 2 Н 5) 3 N + НСl = ((С 2 Н 5) 3 NН)Сl.

Рассчитаем количества веществ – участников реакций:

(HCl) = 0,274 моль,

((С 2 Н 5) 3 N) = 0,074 моль.

На нейтрализацию триэтиламина израсходовано также 0,074 моль кислоты, а для реакции со смесью: 0,274 – 0,074 = 0,2 моль.

Используем тот же прием, что и в задаче 3. Обозначим х – число моль пиридина и y – число анилина в смеси. Составим систему уравнений:

Решая систему, получим, что количество пиридина – 0,15 моль, а анилина – 0,05 моль. Рассчитаем количества веществ хлороводородных солей пиридина, анилина и триэтиламина, их массы и массовые доли. Они составляют соответственно 0,15 моль, 0,05 моль, 0,074 моль; 17,33 г, 6,48 г, 10,18 г; 18,15%, 6,79%, 10,66%.

ЛИТЕРАТУРА

Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа, 1999;
Ушкалова В.Н., Иоанидис Н.В . Химия: конкурсные задания и ответы. Пособие для поступающих в вузы. М.: Просвещение, 2000.

Задачи на смеси и сплавы - очень частый вид задач на ЕГЭ по химии. Они требуют чёткого представления о том, какие из веществ вступают в предлагаемую в задаче реакцию, а какие нет.

О смеси мы говорим тогда, когда у нас есть не одно, а несколько веществ (компонентов), «ссыпанных» в одну емкость. Вещества эти не должны взаимодействовать друг с другом.

Типичные заблуждения и ошибки при решении задач на смеси.

Часто в таких задачах используется реакция металлов с кислотами. Для решения таких задач надо точно знать, какие металлы с какими кислотами взаимодействуют, а какие - нет.

Необходимые теоретические сведения.

Способы выражения состава смесей.

Электрохимический ряд напряжений металлов.

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Реакции металлов с кислотами.

Продукты восстановления азотной кислоты.

Чем активнее металл и чем меньше концентрация кислоты, тем дальше восстанавливается азот
Неметаллы + конц. кислота	Неактивные металлы (правее железа) + разб. кислота	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + конц. кислота	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + кислота среднего разбавления	Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + очень разб. кислота
Пассивация: с холодной концентрированной азотной кислотой не реагируют:
Не реагируют с азотной кислотой ни при какой концентрации :

Продукты восстановления серной кислоты.

Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота	Щелочноземельные металлы + конц. кислота	Щелочные металлы и цинк + концентрированная кислота.	Разбавленная серная кислота ведет себя как обычная минеральная кислота (например, соляная)
Пассивация: с холодной концентрированной серной кислотой не реагируют:
Не реагируют с серной кислотой ни при какой концентрации :

Реакции металлов с водой и со щелочами.

Внимание! Многие ошибки в решении задач ЕГЭ по химии связаны с тем, что школьники плохо владеют математикой. Специально для вас - материал о том, как решать задачи на проценты, сплавы и смеси .

Примеры решения задач.

Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:

Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.

Решение примера 1.

Ответ: железа, меди.

Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за - число моль одного из металлов, а за - количество вещества второго.

Решение примера 2.

1. Находим количество водорода: моль.
2. Пусть количество алюминия - моль, а железа моль. Тогда можно выразить через и количество выделившегося водорода:

   – мольное соотношение

3. Нам известно общее количество водорода: моль. Значит, (это первое уравнение в системе).
4. Для смеси металлов нужно выразить массы через количества веществ. Значит, масса алюминия

   масса железа

   а масса всей смеси

   (это второе уравнение в системе).

5. Итак, мы имеем систему из двух уравнений:
   
   Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18: и вычитая первое уравнение из второго:

   соответственно,

Ответ: железа, алюминия.

Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н.у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.

В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г - это масса меди. Количества остальных двух металлов - цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.

Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.

Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в таких задачах - правильно определить, какой металл будет растворяться в ней, а какой не будет.

Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н.у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.

В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).

Со щелочью реагирует только алюминий - амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи - ещё можно растворить бериллий).

Решение примера 4.

1. С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа: моль

   (конц.)
   (не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)

   Так как мольное соотношение меди и сернистого газа , то меди тоже моль.
   Можно найти массу меди:

2. В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
3. Число моль водорода: моль, мольное соотношение алюминия и водорода и, следовательно,

   Моль.

   Масса алюминия:

4. Остаток - это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси: г.
5. Массовые доли металлов:

Ответ: меди, алюминия, железа.

Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО 3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н.у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)

В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота - «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это - азот. Оба металла растворились в кислоте.

В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.

Решение примера 5.

1. Определяем количество вещества газа: моль.
2. Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной :

   Моль

   Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит - кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке , и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.

3. Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс ) и, для удобства расчетов, принимаем за - количество цинка, а за - количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится моль, а во второй - моль:
4. Тогда, учитывая, что масса смеси металлов г, их молярные массы - г/моль у цинка и г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

   
   – количество азота
   – масса смеси двух металлов

   Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.

   Значит, моль

   Значит, моль

   Проверим массу смеси:

   Г.
   

5. Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
6. Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию: моль,

   т.е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:

   Моль.

7. Итак, в итоговом растворе содержатся:

   нитрат цинка в количестве моль:

   нитрат алюминия в количестве моль:

   избыток азотной кислоты в количестве моль:

8. Какова масса итогового раствора?Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):
   

   Тогда для нашей задачи:

   Масса раствора кислоты + масса сплава металлов - масса азота

   Пример 6. При обработке г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось л газа (н.у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты - л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)

   При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт , а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

   Ответ к примеру 6: меди, железа, алюминия.

   Задачи для самостоятельного решения.

   1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.

   1-1. Смесь меди и алюминия массой г обработали -ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.

   1-2. Смесь меди и цинка массой г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось л газа (н.y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

   1-3. Смесь магния и оксида магния массой г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось л газа (н.у.). Найти массовую долю магния в смеси.

   1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

   1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось г меди. Определите состав исходной смеси.

   1-6. Какая масса -ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом л (н.у.)?

   1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом л (н.у.). Определите состав исходной смеси.

   1-8. При растворении г смеси железных и алюминиевых опилок в -ном растворе соляной кислоты ( г/мл) выделилось л водорода (н.у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.

   2. Задачи более сложные.

   2-1. Смесь кальция и алюминия массой г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось л газа (н.у.). Определите массовые доли металлов в смеси.

   2-2. Для растворения г сплава магния с алюминием использовано мл -ного раствора серной кислоты ( г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н.у.), выделившегося при растворения сплава.

   2-3. При растворении г смеси железа и оксида железа (II) в серной кислоте и выпаривании раствора досуха образовалось г железного купороса - гептагидрата сульфата железа (II). Определите количественный состав исходной смеси.

   2-4. При взаимодействии железа массой г с хлором образовалась смесь хлоридов железа (II) и (III) массой г. Вычислите массу хлорида железа (III) в полученной смеси.

   2-5. Чему была равна массовая доля калия в его смеси с литием, если в результате обработки этой смеси избытком хлора образовалась смесь, в которой массовая доля хлорида калия составила ?

   2-6. После обработки избытком брома смеси калия и магния общей массой г масса полученной смеси твердых веществ оказалась равной г. Эту смесь обработали избытком раствора гидроксида натрия, после чего осадок отделили и прокалили до постоянной массы. Вычислите массу полученного при этом остатка.

   2-7. Смесь лития и натрия общей массой г окислили избытком кислорода, всего было израсходовано л (н.у.). Полученную смесь растворили в г -го раствора серной кислоты. Вычислите массовые доли веществ в образовавшемся растворе.

   2-8. Сплав алюминия с серебром обработали избытком концентрированного раствора азотной кислоты, остаток растворили в уксусной кислоте. Объемы газов, выделившихся в обеих реакциях измеренные при одинаковых условиях, оказались равными между собой. Вычислите массовые доли металлов в сплаве.

   3. Три металла и сложные задачи.

   3-1. При обработке г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось л газа. Такой же объем газа выделяется и при обработке этой же смеси такой же массы избытком разбавленной серной кислоты (н.у.). Определите состав исходной смеси в массовых процентах.

   3-2. г смеси железа, меди и алюминия, взаимодействуя с избытком разбавленной серной кислоты, выделяет л водорода (н.у.). Определите состав смеси в массовых процентах, если для хлорирования такой же навески смеси требуется л хлора (н.у.).

   3-3. Железные, цинковые и алюминиевые опилки смешаны в мольном отношении (в порядке перечисления). г такой смеси обработали избытком хлора. Полученную смесь хлоридов растворили в мл воды. Определить концентрации веществ в полученном растворе.

   3-4. Сплав меди, железа и цинка массой г (массы всех компонентов равны) поместили в раствор соляной кислоты массой г. Рассчитайте массовые доли веществ в получившемся растворе.

   3-5. г смеси, состоящей из кремния, алюминия и железа, обработали при нагревании избытком гидроксида натрия, при этом выделилось л газа (н.у.). При действии на такую массу смеси избытка соляной кислоты выделяется л газа (н.у.). Определите массы веществ в исходной смеси.

   3-6. При обработке смеси цинка, меди и железа избытком концентрированного раствора щелочи выделился газ, а масса нерастворившегося остатка оказалась в раза меньше массы исходной смеси. Этот остаток обработали избытком соляной кислоты, объем выделившегося газа при этом оказался равным объему газа, выделившегося в первом случае (объемы измерялись при одинаковых условиях). Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.

   3-7. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов (в порядке перечисления). Какой минимальный объем воды может вступить в химическое взаимодействие с такой смесью массой г?

   3-8. Смесь хрома, цинка и серебра общей массой г обработали разбавленной соляной кислотой, масса нерастворившегося остатка оказалась равной г. Раствор после отделения осадка обработали бромом в щелочной среде, а по окончании реакции обработали избытком нитрата бария. Масса образовавшегося осадка оказалась равной г. Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.

   Ответы и комментарии к задачам для самостоятельного решения.

   1-1. (алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой); и; (хром при растворении в соляной кислоте переходит в хлорид хрома (II), который при действии брома в щелочной среде переходит в хромат; при добавлении соли бария образуется нерастворимый хромат бария)