Занятие 5. Образование раствора в ходе реакции.

Можаев Г.М.
Мастер-класс «Решаем трудные задачи»
Образование раствора в ходе реакции.
Задачи 2.3 типа 2.3 (образование растворов в ходе химической реакции) можно
разбить на прямые и обратные. Прямые задачи – это задачи, где по известным порциям
участников реакции требуется определить состав полученного в ходе реакции раствора.
Обратные – когда указан состав полученного раствора и нужно рассчитать порцию
одного или нескольких исходных веществ.
Прямые задачи достаточно часто встречаются среди задач С4 ЕГЭ по химии. Как
правило, они решаются по прямому алгоритму. Сложность может представлять
химическая сторона задачи, поскольку эти задачи часто выступают как комбинированные
с задачами типа 2.2 (расчет по нескольким уравнениям реакций, задачи на избытокнедостаток). Сложным для многих школьников оказывается и определение массы
растворов после реакции. Помочь в анализе задач могут схемы превращения фаз.
В качестве примера можно рассмотреть следующую задачу:
Задача 1. Сульфит натрия массой 6,3 г растворили в 120 г 7,6%-ной соляной
кислоты. Затем раствор нагрели до полного удаления газообразного
продукта реакции. Определите объем этого продукта (н.у.) и массовую долю
хлорида натрия в полученном растворе.
Дано:
Уравнение реакции: Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + SO2 + H2O
m(Na2SO3)= 6,3 г
Схема превращения фаз (одно из реагирующих веществ может
быть в избытке):
m(pHCl) = 120 г
w(HCl)=7,6%= 0,076
V(пр) - ?
w(NaCl) - ?
Схема подсказывает, что для нахождения массы полученного раствора нужно будет
определить и массу оксида серы(IV). План решения задачи (прямой алгоритм):
1. Находим количество вещества участников – сульфита натрия и хлороводорода;
2. Расчеты по уравнению реакции: определяем, какое из двух веществ прореагирует
полностью (ПрП), по этому веществу определяем порции продуктов;
3. Находим конечные характеристики: объем газа, массы веществ, массу раствора 2
и массовую долю хлорида натрия
Можаев Г.М.
Мастер-класс «Решаем трудные задачи»
Обратные задачи требуют, как правило, алгебраического решения. Примером
может служить следующая задача:
Задача 2. Какую массу карбида алюминия следует добавить к 550 г 10%ного раствора хлороводородной кислоты, чтобы массовая доля кислоты
уменьшилась вдвое?
Дано:
Уравнение реакции: Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH4
m(pHCl)
550 г
= Схема превращения фаз (по условию ясно, что HCl в избытке):
w1(HCl)= 10%
= 0,1
w2(HCl)= 5%
= 0,05
m(Al4C3) - ?
Типичная ошибка при решении подобной задачи: раз массовая доля кислоты
уменьшилась вдвое, значит вдвое уменьшилось количество кислоты, надо рассчитать,
сколько кислоты было в исходном растворе, взять половину и использовать это
количество для расчета по уравнению реакции. Схема помогает понять, что вторая
массовая доля относится к другому раствору, и 5% во втором растворе никак не связано с
10% в первом. План решения задачи:
1. В качестве неизвестной величины выбираем количество вещества карбида
алюминия, по уравнению реакции выражаем через неизвестную количество вещества
прореагировавшей кислоты и выделившегося метана;
2. Выражаем через массы веществ; используя закон сохранения массы, находим
выражение для массы раствора 2;
3. Используя массовые доли, выражаем массу избытка HCl через массу первого
раствора и через массу второго. Получаем алгебраическое уравнение; решаем его и
находим массу карбида алюминия
Решение:
1. Пусть n(Al4C3) = x моль.
По уравнению реакции n’(HCl) = 12x моль, n(CH4) = 3x моль.
2. Массы веществ m=n*M; m(Al4C3) = 144x (г); m(HCl) = 36,5*12x = 438x (г)
m(CH4) = 16*3x = 48x (г)
Можаев Г.М.
Мастер-класс «Решаем трудные задачи»
По закону сохранения массы:
m(p2) = m(p1) + m(Al4C3) – m(CH4) =
= 550 + 144x – 48x = 550 + 96x (г)
3. Масса HCl в исходном растворе m(HCl) = m(p1)*w1 = 55 г;
Масса избытка HCl: mи = 55 – 438x;
Масса HCl в растворе 2: mи = m(p2)*w2 = (550 + 96x)*0,05 = 27,5+4,8x
Алгебраическое уравнение: 55 – 438x = 27,5+4,8x; 442,8х = 27,5
х = 0,0621 (моль); m(Al4C3) = 144x = 8,94 (г) Ответ: m(Al4C3) = 8,94 г.
Задачи в интенсивных величинах.
Интенсивными величинами (в отличие от экстенсивных) называются величины,
не зависящие от количества вещества, от массы объекта. К таким величинам относится
молярные массы, температура, давление, плотность и различные характеристики состава
системы: массовая доля, концентрации и т.п. Задачами в интенсивных величинах я
называю такие, в которых не охарактеризована порция ни одного из веществ, где все
численные характеристики являются интенсивными величинами. Примерами таких задач
являются задачи на определение формул вещества по массовым долям элементов, или
задачи на переход от одной характеристики состава к другой («Определить молярную
концентрацию соли в ее 10%-ном растворе с плотностью 1,08 г/мл»). Встречаются такие
задачи и среди задач на образование растворов в ходе химических реакций:
Задача 3. Для получения раствора сульфата калия рассчитанное количество
карбоната калия растворили в 5%-ной серной кислоте. Определите массовую долю
сульфата калия в полученном растворе. (C4, ЕГЭ-2006)
Дано:
Уравнение реакции: K2CO3 + H2SO4= K2SO4 + CO2 + H2O
w(H2SO4)= 5% = Схема превращения фаз (здесь
0,05
полностью вступила в реакцию):
предполагается,
что
кислота
w(K2SO4) - ?
Неподготовленный школьник оказывается в тупике: что ему делать с этими пятью
процентами? А других данных в задаче нет. В принципе, как всегда в таких случаях
можно воспользоваться алгебраическим методом решения. Однако, есть способ решения
этих задач и без использования алгебры.
Если в задаче использованы величины, не зависящие от порции вещества,
значит, для решения можно взять любую, удобную для расчетов порцию вещества,
раствора, смеси и т.п.
Решение задачи начинаем со слова «Допустим»: допустим, что в реакцию вступил
1 моль карбоната калия, 100 г карбоната калия, 1 моль серной кислоты, 100 г раствора
серной кислоты, при реакции выделилось 22,4 л газа (н.у.) и т.д. Любое из этих
допущений приведет задачу к привычному виду и к правильному ответу.
Можаев Г.М.
Мастер-класс «Решаем трудные задачи»
Задание № 5.
1. Приведите решение задачи 1 по указанному в тексте плану.
2. Прорешайте задачу 3, допустив, что а) что в реакцию вступил 1 моль
карбоната калия, б) что в реакцию вступило 100 г раствора серной кислоты.
Какой способ лучше посоветовать ученикам?
Решение следующих задач сопроводите схемами превращения фаз:
Задача 4. Аммиак, полученный нагреванием смеси 5 г хлорида аммония и 5 г
гидроксида кальция, полностью растворили в 200 мл 5%-ной азотной кислоты
(плотность 1,03 г/мл). Выразите состав полученного раствора через массовые доли
растворенных веществ.
Задача 5. Какой объем сероводорода был поглощен 10%-ным раствором сульфата
меди массой 120 г, если массовая доля серной кислоты в полученном растворе
оказалось равной 3%.
Задача 6. В горячую 65%-ную азотную кислоту поместили немного серы. После
полного растворения, при котором выделялся бурый газ, массовая доля азотной
кислоты в растворе уменьшилась в 1,2 раза. Вычислить массовую долю серной
кислоты в полученном растворе.
Ответы (с указанием фамилии) оформлять в файле WORD, имя файла Familija-Z-5.
Возможен рукописный вариант, который сканируется или фотографируются и
пакуются в архиве с таким же именем Familija-Z-5 (Familija- фамилия участника –англ.)
Файлы ответов загружаются в библиотеку творческой группы. Ответы считаются
учебными работами, не выставляются на общее обозрение, после проверки удаляются из
библиотеки. Общий анализ ответов дается на форуме. Контрольный срок выполнения
задания №5 до 19-00 мск вр, 8.11.10 (понедельник)