Задача №2б. «Загадочный минерал» (20 баллов)

Задача №1. «И от химии бывает тепло» (20 баллов)

Для изучения взаимодействия йода и водорода проделали серию экспериментов по измерению теплового эффекта реакции:

1) В реактор поместили 250 г йода и 2 г водорода. Полученную смесь нагрели до 360⁰С. В результате реакции выделилось 3,72 кДж тепла.

2) В реактор поместили 1000 г йода и 2 г водорода. Полученную смесь нагрели до 360⁰С. В результате реакции выделилось 4,52 кДж тепла.

 

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции йода с водородом при 360 ⁰С.

2. Какое количество теплоты выделится в результате взаимодействия 100 г йода и 1 г водорода при 360 ⁰С?

Решение

1) В задаче идет речь о реакции H_2(г) + I_2(г) = 2HI_(г) (1 балл)

Рассчитаем начальное количество вещества реагентов

Номер опыта	ν(H2), моль	ν(I2), моль
		0.98
		3.94

(1 балл)

Предположим, реакция необратимая, тогда количество образовавшегося HI получится в два раза больше реагента, взятого в недостатке.

Номер опыта	ν(H2), моль	ν(I2), моль	ν(HI), моль
		0.98	1.96
		3.94

(1 балл)

Тепловой эффект реакции пропорционален количеству образовавшегося HI, поэтому тепловой эффект в опытах 1 и 2 должен быть близок. А это не так. Значит, данная реакция обратимая. (3 балла)

Так как количество молей в ходе реакции не меняется, то Kx=Kp=Kc. Также, константу равновесия можно записать через количества веществ.

(1 балл)

В первом опыте, обозначим количество вступивших в реакцию H₂ и I₂ за x моль. Тогда в результате первой реакции образовалось 2x моль HI.

В результате второго опыта образовалось в 4,52кДж/3,72 кДж больше HI, чем первого, т.е. 2,43x (3 балл)

Во втором опыте, количество вступивших в реакцию H₂ и I₂ составляет 1, 215x моль. Запишем уравнение для константы равновесия:

Решая квадратное уравнение, получаем, что x= 0,81 моль, откуда в результате первой реакции образовалось 1,62 моль HI м, константа равновесия равна 81 (2 балл).

Тепловой эффект образования 1 моля HI равен

3,72 кДж/1,62 моль = 2,3 кДж/моль (2 балл)

Тепловой эффект реакции H_2(г) + I_2(г) = 2HI_(г) в 2 раза больше и равен 4,6 кДж/моль (1 балл)

2) Для расчета количество теплоты, выделившегося в результате взаимодействия 100 г йода и 1 г водорода при 360 ⁰С рассчитаем исходные концентрации H₂ и I₂

ν(H2), моль	ν(I2), моль
0,5	0.39

(1 балл)

Обозначим количество вступивших в реакцию H₂ и I₂ за y моль. Тогда в результате реакции образовалось 2y моль HI.

Решая квадратное уравнение, получаем, что y= 0,35 моль, количество образовавшейся HI = 0,7 моль (2 балл)

В ходе эксперимента выделилось 2,3 кДж/моль*0,7 моль/2= 1,61 кДж (2 балл)

 

Задача №2а. «Лодочка». (20 баллов)

С некоторой солью, встречающейся в природе в виде минерала, были проделаны следующие опыты. Навеску этого вещества мелко истирали в ступке, а затем в бадделитовой лодочке помещали в трубчатую печь, где прокаливали при 450^оС в токе различных газов. По окончании опыта печь охлаждали до комнатной температуры, лодочку доставали и взвешивали. Ниже в таблице приведены изменения массы вещества в лодочке в зависимости от газа, в атмосфере которого велось прокаливание.

Газ	CO2	H2	H2O	HCl	HCl, Cl2
Δm	– 37.9%	–51.7%	-33.3%	+9.5%	-100%

Определите исходную соль, приведите уравнения протекающих реакций.

Решение

Из данных задачи следует, что исходное вещество термически неустойчиво, легко может быть восстановлено водородом, реагирует с хлороводородом. Высший хлорид летуч. Этому условию соответствуют карбонаты, сульфиты и некоторые другие соли металлов. Уменьшение массы при прокаливании в инертной атмосфере (углекислый газ) и уменьшение массы при прокаливании в атмосфере водяного пара позволяют предположить, что исходное вещество – карбонат или сульфит. Прирост массы при взаимодействии с хлороводородом позволяет заключить, что исходное вещество – карбонат металла, М(СО₃)_х. (2 балла)

М(СО₃)_х = МO_х + хСО₂ (2 балла)

Для исходного вещества получаем:

44n/(M₁ +60n) = 0,379, где 2n – валентность металла, М – его молярная масса

n 0,5 1 1,5 2

M 28,05 56,1 84,15 112,2

Отсюда исходное вещество – FeCO₃ (4 балла)

FeCO₃ = FeO + CO₂ (2 балла)

FeCO₃ + Н₂ = Fe + CO₂ + Н₂О (2 балла)

FeCO₃ + 2HCl = FeCl₂ + CO₂ + H₂O (2 балла)

2FeCO₃ + 4HCl + Cl₂ = 2FeCl₃↑ + 2CO₂ + 2H₂O (3 балла)

3FeCO₃ + Н₂O = Fe₃O₄ + 3CO₂ + Н₂ (3 балла)

 

Задача №2б. «Загадочный минерал» (20 баллов)

1. Для определения состава некоторого минерала был проведен следующий эксперимент. Навеску вещества массой 10,00 г сплавили со смесью гидроксида и пероксида натрия. Плав обработали горячей водой. При этом получился бесцветный раствор и черный осадок.

Полученный раствор нейтрализовали азотной кислотой и обработали избытком раствора ляписа. Образовалось 27,75 г осадка шоколадного цвета, обработка смеси которого с цинковыми стружками соляной кислотой привела к выделению газа с запахом чеснока. К оставшемуся раствору добавили избыток баритовой воды, при этом образовалось 14,00 г белого осадка, нерастворимого в минеральных кислотах.

Полученный после обработки водой черный осадок растворили в избытке соляной кислоты. При этом выделился газ и получился зеленый раствор, не меняющий цвета при разбавлении водой. При добавлении к раствору реактива Чугаева (диметилглиоксима) выпал красный объемистый осадок, масса которого после высушивания составила 17,33 г.

Определите состав минерала и напишите уравнения описанных превращений.

Решение

Определим качественный состав минерала. Образование шоколадно-коричневого осадка с ионом серебра, возможность восстановления полученного осадка водородом в момент выделения с образованием газообразного продукта с запахом чеснока указывают на присутствие в минерале мышьяка. (2 балла)

Зеленый цвет раствора хлорида металла характерен, в первую очередь, для хлоридов меди и никеля. Отсутствие изменения окраски с разбавлением позволяет сделать вывод в пользу никеля. На это же указывает образование красного осадка с реактивом Чугаева. (2 балла)

Определим соотношение никеля и мышьяка в исходном минерале.

ν (As) = ν (Ag₃AsO₄) = 27,75: 463 = 0,06 моль (1 балл)

ν (Ni) = ν (Ni(HONC(CH₃)C(CH₃)NO)₂) = 17,33:289 = 0,06 моль (1 балл)

На эти два элемента приходится 8,04 г от взятого образца минерала.

Образование нерастворимого в кислоте белого осадка соли бария указывает на присутствие в минерале серы, селена или фосфора. Проверка показывает, что наиболее вероятно образование сульфата бария. (2 балла) Тогда в исходном образце содержалось также 0,06 моль серы, что соответствует общей масе образца 9,96 г (ошибка в 0,4% лежит в пределах ошибок аналитических определений – каждое из гравиметрических определений дает погрешность 0,2%). (1 балл)

Таким образом, состав исходного минерала NiAsS. (1 балл)

Реакции:

2NiAsS + 15Na₂O₂ = 2NiO₂ (черный осадок) + 2Na₃AsO₄ + 2Na₂SO₄ + 10Na₂O (2 балла)

Na₂O + 2HNO₃ = 2NaNO₃ + H₂O (1 балл)

Na₃AsO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃AsO₄ (шкоколадно-коричневый осадок) + 3NaNO₃ (1 балл)

Ag₃AsO₄ + Zn + HCl = AgCl + ZnCl₂ + AsH₃ (газ с запахом чеснока) (2 балла)

NiO₂ + 4HCl = NiCl₂ (зеленый раствор) + Cl₂ + 2H₂O (1 балл)

NiCl₂ + 2HONC(CH₃)C(CH₃)NO = Ni(HONC(CH₃)C(CH₃)NO)₂ (красный объемистый осадок) (2 балла)

Na₂SO₄ + Ba(OH)₂ = BaSO₄ + 2NaOH (1 балл)