Можаев Г.М. Мастер-класс «Решаем вместе» В реакции участвует пластинка Химическая сторона задачи обычно основана на реакции замещения соли с более активным металлом, что можно выразить схемой: Me1 + Me2An → Me2 + Me1An Или рисунком: Пластинка частично растворяется, но вытесняемый металл оседает на ней, в результате масса пластинки может как увеличиться, так и уменьшится на некоторую величину m = m(Me2) – m(Me1). Особенностью этих задач является то, что пластинка не вступает в реакцию полностью, поэтому масса пластинки, а часто и масса растворенной соли, не дают возможности вести расчет по уравнению реакции. С реакцией связано изменение массы пластинки, m, оно обычно и служит ключевой величиной в решении задач этого типа. Используя величину m, можно предложить несколько вариантов задач: а) определение порций (масс, объемов и т.д.) участников реакций, в т.ч. и по цепочке превращений, б) определение состава раствора полученного в ходе реакции, в) определение состава смеси, г) определение неизвестного вещества (металла или соли в растворе), и т.д. Возможно построение и обратной задачи, т.е. определение величины m. По задачам этого типа достаточно много публикаций в методической литературе 1,2. Некоторые из них можно найти в Интернете, например, на сайте газеты «Химия»: http://him.1september.ru/2005/03/40.htm Общим способом решения этих задач является алгебраический. Вводится неизвестная величина (количество вещества), через нее выражается заданная величина, m. После решения алгебраического уравнения проводятся остальные расчеты. Задача 1. Алюминиевую пластинку массой 50 г опустили в раствор хлорида меди(II). Спустя некоторое время пластинку извлекли из раствора, аккуратно промыли, высушили и взвесили, ее масса оказалась равной 63,8 г. Чему равна масса меди, выделившейся на пластинке? Дано: m(пл1) = 50 г m(пл2) = 63,8 г m(Cu) - ? Уравнение реакции: 2Al + 3CuCl2 = 2AlCl3 + 3Cu↓ План решения. В качестве неизвестной величины выбираем n(Cu), по уравнению реакции рассчитываем n(Al), выражаем массы металлов и составляем алгебраическое уравнение, используя m. Решаем уравнение и находим массу меди. Решение. Пусть в ходе реакции выделилось х моль меди. По уравнению: n(Al)/n(Cu) =2/3; n(Al) = 0,6667x. Массы металлов (m=M*n): m(Cu) = 64х (г); m(Al)=18x (г). m = m(пл2)-m(пл1) = 13,8 г = m(Cu)-m(Al); 64x-18x = 13,8; 46x = 13,8; x = 0,3 (моль) m(Cu) = 64х = 64*0,3 = 19,2 (г) Осмысление результата: масса меди оказалась больше, чем привес пластинки, поскольку одновременно растворяется алюминий. 1 2 Демидов В.А. Пластинка в растворе. Химия в школе, №8, 2005, с41. С.В.Телешов, И.Кутумов. Химия. Прил к газ. «1-е Сентября», №44, 2004,№16, 2005 и др. Можаев Г.М. Мастер-класс «Решаем вместе» Слово «пластинка» не обязательно будет присутствовать в условии задачи. Вместо него могут быть слова «гвоздь», «проволока», «стружки» и даже «порошок»: Задача 2. В раствор сульфата меди(II) массой 248 г поместили порошок магния массой 20 г. Через некоторое время металлический осадок собрали и высушили. Его масса составила 28 г. Определите массовую долю сульфата магния в полученном растворе.3 (w(MgSO4) = 10%.) Анализ условия и план решения: Задача комбинированная, «на пластинку» и на определение состава раствора. Анализируя схему превращения фаз (рис. 1), отметим, что на сколько увеличится масса пластинки в ходе реакции, на столько должна уменьшиться масса полученного раствора. План решения будет аналогичен плану предыдущей задачи, но по уравнению реакции надо будет рассчитать и количество вещества сульфата магния а в заключение – рассчитать массу раствора и массовую долю. Дано: Уравнение реакции: Mg + CuSO4 = MgSO4 + 3Cu↓ m(п1) = 20 г m(п2) = 28 г m(p1) = 248 г w(MgSO4) - ? M(MgSO4) = = 120 г/моль Решение. Пусть в реакцию вступило х моль магния. По уравнению: n(Cu) = w(MgSO4) = n(Mg) = x моль. Массы металлов (m=M*n): m(Cu) = 64х (г); m(Mg)= 24 x (г). m = m(п2)-m(п1) = 28 – 20 = 8 г; m = m(Cu)-m(Mg); 64x-24x = 8; 40x = 8; x = 0,2 (моль) m(MgSO4) = M*n = 120*0,2 = 24 г. m(p2) = m(p1) - m = 248-8=240 г w(MgSO4) = m(MgSO4)/ m(p2) = 24/240 = 0,1 = 10% Вот еще пример комбинированной задачи: Задача 3. При выдерживании в водном растворе нитрата серебра первоначальная масса медного стержня 38,4 г увеличилась на 39,6%. Определите объем 65%-й азотной кислоты (ρ = 1,54 г/мл), необходимый для полного растворения стержня. Анализ условия и план решения: Задача комбинированная, «на пластинку» и «в реакцию вступает смесь» (стержень, который будут растворять в азотной кислоте, состоит уже из двух металлов). Отсюда план решения: определить состав «смеси» (количества вещества металлов в стержне), затем рассчитывать количества вещества азотной кислоты, учтя особый характер ее взаимодействия с этими металлами (уравнения 2 и 3). Особенностью задачи является также и то, что изменение массы стержня здесь задано через отношение к исходной массе m/m и выражено в процентах. Дано: m(ст1) = 38,4 г m/m(ст1) = = 39,6% = 0,396 w(к) = 65% = 0,65 ρ = 1,39 г/мл V(pHNO3) - ? M(HNO3) = = 63 г/моль 3 Уравнения реакций: Cu + 2AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag↓ Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2↑ (2) Ag + 2HNO3 = AgNO3 + H2O + NO2↑ (3) (1) Решение. Пусть в реакцию вступило х моль меди. По уравнению 1: n(Ag) = 2*n(Cu) = 2x моль. Массы металлов (m=M*n): m(Cu) = 64х (г); m(Ag)= 216x (г). m = m(ст1)*0,411 = 38,4*0,396 = 15,21 г; m = m(Ag)-m(Cu); 216x-64x = 15,78; 152x = 15,21; x = 0,1 (моль) m2(Cu) = m(ст1) – m2(Cu) = 38,4-64х = 38,4-64*0,1 = 32 г; n2(Cu) =0,5 моль. n(Ag) = 2x = 0,2 моль По уравнению 2: n2(HNO3) = 4n2(Cu) = 4*0,5 = 2 моль По уравнению 3: n3(HNO3) = 2n3(Ag) = 2*0,2 = 0,4 моль nобщ(HNO3) = 2,4 моль; m(HNO3) = M*n = 63*2,4 = 151,2 г; m(pHNO3) = m(HNO3)/w(к) = 151,2/0,65 = 232,6 г V(pHNO3) = m(pHNO3)/ρ = 232,6/1,39 = 151,0 мл Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Задачи по химии для поступающих в вузы. М., 1994, 302 с. Можаев Г.М. Мастер-класс «Решаем вместе» Задача 4. Железные стружки поместили в раствор нитрата неизвестного металла, проявляющего в соединениях степень окисления +1. После окончания реакции стружки извлекли из раствора, оказалось, что их масса увеличилась на 3,2 г. Через полученный раствор пропустили избыток сероводорода и получили 1,76 г осадка сульфида железа(II). Определите неизвестный металл. Анализ условия и план решения: Поскольку степень окисления металла дана, можно написать уравнение реакции его соли с железом (1). вторая реакция – реакция обмена (2). Задачу можно решить прямым методом, найдя количество вещества сульфида железа(II). Дано: m(FeS) = 1,76 г m = 3,2 г Me - ? M(FeS) = = 88 г/моль Уравнения реакций: Fe + 2MeNO3 = Fe(NO3)2 + 2Me↓ Fe(NO3)2 + H2S = 2HNO3 + FeS↓ (2) (1) Решение. n(FeS) = m/M = 1,76/88 = 0,02 моль. По уравнению 2: n(Fe(NO3)2) = n(FeS) = 0,02 моль. По уравнению 1: n(Fe) = n(Fe(NO3)2) = 0,02 моль; n(Me) = 2*n(Fe(NO3)2) = 0,04 моль; Массы металлов: m(Fe) = M*n = 56*0,02 = 1,12 г; m = m(Me) – m(Fe); m(Me) = m + m(Fe) = 3,2+1,12 = 4,32 г. M(Me) = m(Me)/n(Me) = 4,32/0,04 = 108 г/моль Ar(Me) = 108, металл – серебро. Примером обратной задачи может служить следующая: Задача 5. В раствор, содержащий 14,1 г нитрата меди(II) и 14,63 г нитрата ртути(II), погрузили кадмиевую пластинку массой 50 г. На сколько процентов изменится масса пластинки после полного выделения меди из раствора? 4 Анализ условия и план решения: Особенностью этой задачи является то, что пластинка опущена в раствор двух солей. В этом случае протекает последовательность химических реакций, причем в первую очередь вытесняется наименее активный металл, ртуть, и только после ее вытеснения начнется выделение меди (уравнения 1 и 2). Найти в этой задачи нужно относительное изменение массы пластинки, т.е величину δ = m/m. Задача облегчается тем, что указано полное протекание реакций, поэтому используем прямой метод. Уравнения реакций: Cd + Hg(NO3)2 = Cd(NO3)2 + Hg↓ (1) Дано: Cd + Cu(NO (2) 3)2 = Cd(NO3)2 + Cu↓ m(пл1) = 50 г m(Cu(NO3)2) = 14,1 г Решение. Количества вещества (n= m/M): n(Hg(NO3)2) =13/325 = 0,04 моль. m(Hg(NO3)2)=13 г n(Cu(NO3)2) =14,1/188 = 0,075 моль По уравнению 1: n(Hg) = n1(Cd) = n(Hg(NO3)2) =0,04 моль. δ -? По уравнению 2: n(Cu) = n2(Cd) = n(Cu(NO3)2) =0,075 моль. nобщ(Cd) = 0,04 + 0,075 = 0,115 моль. M(Cu(NO3)2) = Массы металлов (m=M*n): m(Cd) = 112*0,115 = 12,88 г; = 188 г/моль m(Hg)= 201*0,04 = 8,04 г; m(Cu)= 64*0,075 = 4,8 г. M(Hg(NO3)2) ) = m = m(Hg) + m(Cu) - m(Cd) = 8,04 + 4,8 - 12,88 = -0,04 г. = 325 г/моль δ = m/m(пл1) = -0,04/50 = -0,0008 = -0,08% Осмысление результата: Отрицательное значение m означает, что масса пластинки уменьшилась. Это можно объяснить тем, что медь более легкий металл, чем кадмий, (Ar(Cu) < Ar(Cd)) и при замещении меди на кадмий масса пластинки уменьшается. Незначительность изменения массы пластинки (< 1%) объясняется тем, что сначала выделялась ртуть, более тяжелый металл, чем кадмий и масса пластинки возрастала. 4 Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы. М., 1999, 560 с. Можаев Г.М. Мастер-класс «Решаем вместе» Этой темой мы заканчиваем работу мастер-класса «Решаем вместе». Конечно, мы рассмотрели не все возможные типы задач по химии, не все возможные способы их решения. Но с наиболее общими и универсальными – познакомились. Дальнейшее совершенствование этих навыков – в ваших руках. Чем чаще вы будете решать все новые задачи, чем больше внимания будете уделять особенностям их решения, тем увереннее вы будете чувствовать себя на различных олимпиадах и экзаменах. Желаю успеха! И вот, последнее задание мастер-класса: Задание № 7. Найдите решения следующих задач. Задача 1. В 200 мл раствора нитрата свинца и нитрата серебра с концентрацией каждой соли 0,1 моль/л, поместили железные стружки массой 1,2 г. После окончания реакции металлический осадок отделили, промыли и высушили. Рассчитайте массу осадка. Задача 2. 25 г медной проволоки погрузили в 140 г 15%-го раствора нитрата серебра. Спустя некоторое время оказалось, что массовые доли солей в растворе одинаковы. Чему будет равна масса проволоки в этот момент? Задача 3. К раствору нитрата ртути(I) массой 264 г с массовой долей соли 20% добавили цинковые опилки. Через некоторое время массовая доля нитрата ртути(I) в растворе составила 6%. Рассчитайте, как изменится масса металла. В статье5 авторы предлагают так начать решение: Hg2(NO3)2 + Zn = Zn(NO3)2 + 2Hg. 1) w(Нg2(NO3)2) = 20 – 6 = 14%; 2) m(Нg2(NO3)2) = 0,14•264 = 36,96 г; … Какую ошибку допускают авторы? Предложите свое решение. Задача 4. Хлорид металла I группы Периодической системы массой 6,75 г растворили в воде и в полученный раствор погрузили железную пластинку массой 50 г. После окончания реакции пластинку извлекли, промыли, высушили и взвесили. Оказалось, что ее масса возросла на 0,8%. Определите металл. Задача 5. Цинковую пластинку массой 8 г опустили в 50 мл 15%-ного раствора нитрата свинца (плотность 1,32 г/мл) и вынули, когда ее масса стала равной 10,84 г. Во сколько раз уменьшилась масса нитрата свинца в растворе к этому моменту? Задача 6. В 50 г раствора сульфата двухвалентного металла поместили кадмиевую. пластинку. Спустя некоторое время масса пластинки уменьшилась на 1,2 г, а массовая доля сульфата кадмия в растворе составила 8,125%. Определите металл. Если полное решение какой-либо задачи осуществить не удалось, принимаются частичные решения, которые будут оценены меньшим числом баллов. Решение каждой задачи нужно аккуратно записать на отдельном листе бумаги, затем сфотографировать или отсканировать и вставить в документ WORD. Чтобы размер файла не был чрезмерно большим, изображения нужно сжать. Документ сохраняется в файле с именем Familija-Z-7. (Familija- фамилия руководителя команды, англ). 5 С.В.Телешов, И.Кутумов "В раствор погружена пластинка..." газ. Химия, 2005, №3. Можаев Г.М. Мастер-класс «Решаем вместе» Работы отправляются электронной почтой на адрес ximclass@mail.ru, с обязательным указанием в Теме письма слов "Мастер-класс" и указанием номера задания. (Например: Мастер-класс, Z7). Контрольный срок выполнения задания №7 до 19-00 мск вр, 28.11.2011 (понедельник). Желаю удачи! Можаев Г.М. Сайт КонТрен – http://kontren.narod.ru