Реакции обмена, в которых конечный результат и последовательность протекания химических реакций зависят от порядка смешивания реагентов.

Реакции обмена с выпадением осадка

5. К 766,2 мл раствора нитрата свинца с массовой долей соли 18% и плотностью 1,2 г/мл постепенно при нагревании добавили некоторое количество гидросульфида натрия, при этом выделилось 8,96 л (н.у.) газа. Определите массовые доли веществ в образовавшемся растворе.

Решение:

1) Движущей силой этой реакции является образование осадка — нерастворимого даже в разбавленных кислотах сульфида свинца. Результат этой реакции зависит от порядка смешивания исходных растворов. Если к раствору гидросульфида добавлять раствор соли свинца, то гидросульфид сначала оказывается в избытке, и высвобождающиеся в результате реакции ионы водорода связываются с избытком гидросульфид ионов с образованием сероводорода:

Pb(NO₃)₂ + 2NaHS ® PbS¯ + H₂S­ + 2NaNO₃

Если же, как в условии данной задачи, к раствору нитрата свинца постепенно добавлять гидросульфид, то сначала в избытке оказываются ионы свинца и вся сера уходит в осадок, а высвобождающиеся ионы водорода остаются в растворе:

NaHS + Pb(NO₃)₂ ® PbS¯ + HNO₃ + NaNO₃

2) Рассчитываем количества вещества нитрата свинца и выделившегося сероводорода, и записываем уравнения химических реакций, проставляя количества реагирующих образующихся веществ, причем количество вещества гидросульфида натрия в исходном растворе обозначим за х моль:

m [раствора Pb(NO₃)₂] = 766,2 ∙ 1,2 = 919,4 г.

n [ Pb(NO₃)₂] = 919,4 ∙ 0,18 / 331 = 0,5 моль.

n (H₂S) = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.

Было: х 0,5

NaHS + Pb(NO₃)₂ ® PbS¯ + HNO₃ + NaNO₃ + (NaHS) (1)

Прореагировало: 0,50,5 стало: 0,5 0,5 0,5 (х – 0,5)

После того, как весь нитрат свинца прореагировал, добавляемый NaHS начинает взаимодействовать с азотной кислотой, образовавшейся в результате первой реакции:

Было: х – 0,5 0,5

NaHS + HNO₃ ® H₂S­ + NaNO₃ + (HNO₃) (2)

Прореагировало: 0,40,4 стало: 0,4 0,4 0,1

Так как во второй реакции сероводорода выделилось меньше, чем было азотной кислоты, NaHS во второй реакции прореагировал полностью, т.е. х – 0,5 = 0,4; х = 0,9 моль.

3) Рассчитываем массу конечного раствора и массовые доли содержащихся в нем веществ:

m (конечного раствора) = m [раствора Pb(NO₃)₂] + m (NaHS) – m (PbS) – m (H₂S) = 919,4 + 0,9 ∙ 56 – 0,5 ∙ 239 – 0,4 ∙ 34 = 836,7 г.

w (NaNO₃) = (0,5 + 0,4) ּ 85 / 836,7 = 0,0914.

w (HNO₃) = 0,1 ּ 63 / 836,7 = 0,00753.

Ответ: w (NaNO₃) = 9,14%; w (HNO₃) = 0,753%.

6.. В результате смешивания раствора нитрата свинца с раствором гидросульфида калия образовался раствор, масса которого равна массе одного из исходных растворов, и в котором молярные концентрации ионов калия и нитрат-ионов относятся как 1: 3, а массовая доля воды равна 80,1%. Определите массовые доли веществ в исходных и конечном растворах.

Решение:

1) Поскольку масса конечного раствора равна массе одного из исходных растворов, масса второго исходного раствора должна равняться массе осадка сульфида свинца. Вторым раствором может быть только раствор гидросульфида калия, так как молярная масса нитрата свинца больше молярной массы сульфида свинца и масса его раствора не может быть равной массе осадка. Соотношение молярных концентраций ионов в растворе равно соотношению их количеств.

2) Пусть n (Pb(NO₃)₂ = 1,5 моль, тогдаколичество нитрат–ионов в конечном растворе 3 моль, ионов калия, а, следовательно, KHS – 1 моль. Нитрат свинца был в избытке. Записываем уравнение реакции и указываем количества реагирующих и образующихся веществ:

Было: 1,51

Pb(NO₃)₂ + KHS ® PbS¯ + KNO₃ + HNO₃ + [Pb(NO₃)₂]

Прореагировало: 1 1 стало: 1 1 1 0,5

3) Вычисляем массы веществ в конечном растворе:

m (KNO₃) = 101г.

m {Pb(NO₃)₂ в конечном растворе} = 0,5∙ 331 = 165,5г.

m (HNO₃) = 63 г.

m (растворенных веществ) = 101 + 165,5 + 63= 329,5 г, следовательно m(конечного раствора) = 329,5/(1-0,801) = 1655,8 г

4) Рассчитываем массовые доли веществ в исходных и конечном растворах:

w [Pb(NO₃)₂ в исходном растворе] = 331∙1,5 / 1655,8 = 0,3.

Масса раствора KHS равна массе сульфида свинца.

m (раствора KHS) = 239 г.

w (KHS в исходном растворе) = 72 / 239 = 0,301.

w {Pb(NO₃)₂ в конечном растворе} = 165,5 / 1655,8 = 0,1.

w (KNO₃) = 101 /1655,8 = 0,061.

w (HNO₃) = 63 / 1655,8 = 0,038.

Ответ: w {Pb(NO₃)₂ в исходном растворе} = 30%. w (KHS в исходном растворе) = 30,1%. w {Pb(NO₃)₂ в конечном растворе} = 10%. w (KNO₃) =6,1%. w (HNO₃) = 3,8%.

Задачи для самостоятельного решения

7. К раствору формиата свинца с молярной концентрацией соли 1,6 моль/л и плотностью 1,1 г/мл медленно при перемешивании и нагревании добавили раствор гидросульфида натрия с массовой долей соли 0,2. В результате этого был получен раствор, в котором суммарная масса катионов на 22,667% превышает массу анионов (диссоциацией муравьиной кислоты пренебречь). Определите массовые доли веществ в растворе, который получится при обратном порядке смешивания таких же количеств исходных растворов в тех же условиях. Ответ: w (HCOONa) = 6,41%; w [(HCOO)₂Pb]= 23,35%.

8. Раствор сульфида натрия смешали с раствором нитрата свинца, после чего масса образовавшегося раствора оказалась равной массе одного из исходных растворов. Определите массовые доли веществ в исходных и конечном растворах, если известно, что плотность конечного раствора равнялась 1,1 г/мл, а концентрации ионов натрия и нитрат–ионов в нем составляли 1,8 и 2,4 моль/л соответственно. Ответ: w (Na₂S) = 32,6%; w [Pb(NO₃)₂ в исходном растворе] = 36,1%; w (NaNO₃) = 13,9%; w [Pb(NO₃)₂ в конечном растворе] = 9,03%.

Взаимное усиление гидролиза двух солей

9. К 380 мл раствора карбоната натрия с массовой долей соли 10% и плотностью 1,046 г/мл постепенно при перемешивании добавляли раствор хлорида алюминия с молярной концентрацией соли 2,5 моль/л и плотностью 1,06 г/мл до того момента, когда началось выделение газа. Рассчитайте массовые доли веществ в растворе, который получится при постепенном добавлении того же объема такого же раствора карбоната натрия к раствору хлорида алюминия той же концентрации и того же объема, который был затрачен в первом опыте.

Решение:

1) В первом случае сначала в избытке был карбонат натрия, выделение газа началось только тогда, когда весь карбонат перешел в гидрокарбонат, поэтому здесь реакция прошла строго по следующему уравнению реакции:

AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O ® 3NaHCO₃ + Al(OH)₃¯ + 3NaCl

m (раствора Na₂CO₃) = 380 ∙ 1,046 = 397,5 г;

n (Na₂CO₃) = 397,5 ∙ 0,1 / 106 = 0,375 моль;

n (AlCl₃) = 0,375 / 3 = 0,125 моль.

m (раствора AlCl₃) = (0,125 / 2,5) ∙ 1000 ∙ 1,06 = 53 г.

2) При обратном порядке смешивания растворов сначала в избытке хлорид алюминия, т.е. кислая среда за счет гидролиза, поэтому сразу начинается выделение углекислого газа:

Было: 0,375 0,125

3Na₂CO₃ + 2AlCl₃ + 3H₂O ® 3CO₂­ + 2Al(OH)₃¯ + 6NaCl + (Na₂CO₃)

Прореагировало: 0,1875 0,125 стало: 0,1875 0,125 0,375 0,1875

3) Определяем массовые доли веществ в конечном растворе:

m (конечного раствора) = m (раствора Na₂CO₃) + m (раствора AlCl₃) – m (CO₂) – m (Al(OH)₃) = 397,5 + 53 – 0,1875 ∙ 44 – 0,125 ∙ 78 = 432,5 г.

w (NaCl) = 0,375 ∙ 58,5 / 432,5 = 0,0507;

w (Na₂CO₃) = 0,1875 ∙ 106 / 432,5 = 0,046.

Ответ: w (NaCl) = 5,07%; w (Na₂CO₃) = 4,6%.

Задача для самостоятельного решения

10. К раствору 94,38 г кристаллической соды в 80 мл воды постепенно при перемешивании добавляли раствор хлорида железа (III) с молярной концентрацией соли 1,5 моль/л и плотностью 1,12 г/мл до того момента, когда началось выделение газа. Рассчитайте массовые доли веществ в растворе, который получится при постепенном добавлении такого же количества раствора кристаллической соды в воде к раствору хлорида железа (III) той же концентрации и того же объема, который был затрачен в первом опыте. Ответ: w (NaCl) = 8,13%; w (Na₂CO₃) = 7,36%.