Расчет состава смеси металлов по количеству выделившегося газа при реакции со щелочью или кислотой

Взаимодействие металлов с растворами щелочей.

13.Взаимодействие металлов с растворами щелочей. С водными растворами щелочей взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода и которым соответствуют амфотерные оксиды. металлы,соответствующие амфотерным оксидам: Al,Cr,Zn,Be,Pb,Sn,Sb. 2Al+2NaOH+6H₂O=2Na[Al(OH)₄]+3H₂↑

Sn+2KOH+2H₂O=K₂[Sn(OH)₄]+H₂↑

Pb+2NaOH+2H₂O=Na₂[Pb(OH)₄]+H₂↑

Взаимодействие металлов с растворами щелочей.

Металлы, такова их природа, не взаимодействуют с атомами водорода гидроксильной группы в молекулах оснований. Но на некоторые из них действуют растворы щелочей.
Со щелочами могут взаимодействовать металлы, дающие амфотерные гидрооксиды или обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей. При взаимодействии металлов с растворами щелочей, окислителем является вода.
Пример:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑ (страница 122 в помощнике)

1 Zn⁰ + 4OH^– – 2e = [Zn(OH)₄]^2– окисление

Zn⁰ – восстановитель

1 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^– восстановление

H₂O – окислитель

Zn + 4OH^– + 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2– + 2OH^– + H₂↑

Металлы, обладающие высокими степенями окисления, могут взаимодействовать со щелочами при сплавлении:

4Nb +5O₂ +12KOH = 4K₃NbO₄ + 6H₂O

Расчет состава смеси металлов по количеству выделившегося газа при реакции со щелочью или кислотой.

14.Расчет состава смеси металлов по количеству выделившегося газа при реакции со щелочью или кислотой. Для определения содержания (масс.%) цинка в партии технического металла его образец массой 800 мг обработали избытком соляной кислоты. Объем (н.у.) выделившегося водорода составил 262 мл.Вычислить результат испытания образца.

Zn + HCl= ZnCl₂+H₂

по уравнению реакции 1моль·22,4 л/моль H₂ – 1 моль·65 г/моль Zn

по условию задачи 0,262 л Н₂ - X г Zn

X= 760 мг.

ω=( m_Zn / m_{образца} )·100%= 760/800·100=95%

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.

Находим количество водорода:
n = V / V_m = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.

По уравнению реакции:

0,25		0,25
Fe +	2HCl = FeCl2 +	H2
1 моль		1 моль

Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
m_Fe = 0,25 • 56 = 14 г.

Теперь можно рассчитать массовые доли металлов в смеси:
ω_Fe = m_Fe/m_{всей смеси} = 14 / 20 = 0,7 = 70%

Ответ: 70% железа, 30% меди.

Пример2.

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 х— число моль одного из металлов, а за у — количество вещества второго.

Решение примера 2.

Находим количество водорода:
n = V / V_m = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.

Пусть количество алюминия — х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:

x		1,5x (мольное соотношение Al:Н2 = 2:3)
2Al	+ 6HCl = 2AlCl3 +	3H2

y		y
Fe	+ 2HCl = FeCl2 +	H2

Нам известно общее количество водорода: 0,4 моль. Значит,
1,5х + у = 0,4 (это первое уравнение в системе).

Для смеси металлов нужно выразить массы через количества веществ.
m = M • n
Значит, масса алюминия
m_Al = 27x,
масса железа
m_Fe = 56у,
а масса всей смеси
27х + 56у = 11 (это второе уравнение в системе).

Итак, мы имеем систему из двух уравнений:

{	1,5x + y = 0,4
27x + 56y = 11

Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:

(56 − 18)у = 11 − 7,2
у = 3,8 / 38 = 0,1 моль (Fe)
х = 0,2 моль (Al)

Дальше находим массы металлов и их массовые доли в смеси:

m_Fe = n • M = 0,1 • 56 = 5,6 г
m_Al = 0,2 • 27 = 5,4 г
ω_Fe = m_Fe / m_смеси = 5,6 / 11 = 0,50909 (50,91%),

соответственно,
ω_Al = 100% − 50,91% = 49,09%

Ответ: 50,91% железа, 49,09% алюминия.

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.

С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
n_SO2 = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль

0,25		0,25
Cu +	2H2SO4 (конц.) = CuSO4 +	SO2 + 2H2O

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

Так как мольное соотношение меди и сернистого газа 1:1, то меди тоже 0,25 моль. Можно найти массу меди:
m_Cu = n • M = 0,25 • 64 = 16 г.

В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Al0 − 3e = Al3+	|
2H+ + 2e = H2

Число моль водорода:
n_H2 = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль,
мольное соотношение алюминия и водорода 2:3 и, следовательно,
n_Al = 0,15 / 1,5 = 0,1 моль.
Масса алюминия:
m_Al = n • M = 0,1 • 27= 2,7 г

Остаток — это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
m_смеси = 16 + 2,7 + 3 = 21,7 г.

Массовые доли металлов:

ω_Cu = m_Cu / m_смеси = 16 / 21,7 = 0,7373 (73,73%)
ω_Al = 2,7 / 21,7 = 0,1244 (12,44%)
ω_Fe = 13,83%

Ответ: 73,73% меди, 12,44% алюминия, 13,83% железа.

Пример 5.21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО₃ 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.

Определяем количество вещества газа:
n_N2 = V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.

Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:

m_{раствора} = ρ • V = 1,115 • 565 = 630,3 г
m_HNO3 = ω • m_{раствора} = 0,2 • 630,3 = 126,06 г
n_HNO3 = m / M = 126,06 / 63 = 2 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.

Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс) и, для удобства расчетов, принимаем за 5х — количество цинка, а за 10у — количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится х моль, а во второй — 3у моль:

5x		x
5Zn	+ 12HNO3 = 5Zn(NO3)2 +	N2	+ 6H2O
Zn0 − 2e = Zn2+	|
2N+5 + 10e = N2

1.

10y		3y
10Al	+ 36HNO3 = 10Al(NO3)3 +	3N2	+ 18H2O
Al0 − 3e = Al3+	|
2N+5 + 10e = N2

Тогда, учитывая, что масса смеси металлов 21,1 г, их молярные массы — 65 г/моль у цинка и 27 г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

{	х + 3у = 0,13 (количество азота)
65 • 5х + 27 • 10у = 21,1 (масса смеси двух металлов)

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

2. х = 0,04, значит, n_Zn = 0,04 • 5 = 0,2 моль
у = 0,03, значит, n_Al = 0,03 • 10 = 0,3 моль

Проверим массу смеси:
0,2 • 65 + 0,3 • 27 = 21,1 г.

Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):

0,2	0,48	0,2	0,03
5Zn	+ 12HNO3 =	5Zn(NO3)2	+ N2 +	6H2O
0,3	1,08	0,3	0,09
10Al	+ 36HNO3 =	10Al(NO3)3	+ 3N2 +	18H2O

Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?
По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию:
n_HNO3 = 0,48 + 1,08 = 1,56 моль,
т.е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
n_HNO3ост. = 2 − 1,56 = 0,44 моль.

Итак, в итоговом растворе содержатся:

нитрат цинка в количестве 0,2 моль:
m_Zn(NO3)2 = n • M = 0,2 • 189 = 37,8 г
нитрат алюминия в количестве 0,3 моль:
m_Al(NO3)3 = n • M = 0,3 • 213 = 63,9 г
избыток азотной кислоты в количестве 0,44 моль:
m_HNO3ост. = n • M = 0,44 • 63 = 27,72 г

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):

Масса нового раствора

=

Сумма масс смешиваемых растворов и/или веществ

-

Масса осадков

-

Масса газов

Тогда для нашей задачи:

m_{нов. раствора} = масса раствора кислоты + масса сплава металлов — масса азота
m_N2 = n • M = 28 • (0,03 + 0,09) = 3,36 г
m_{нов. раствора} = 630,3 + 21,1 − 3,36 = 648,04 г

Теперь можно рассчитать массовые доли веществ в получившемся растворе:

ωZn(NO₃)₂ = m_в-ва / m_р-ра = 37,8 / 648,04 = 0,0583
ωAl(NO₃)₃ = m_в-ва / m_р-ра = 63,9 / 648,04 = 0,0986
ω_HNO3ост. = m_в-ва / m_р-ра = 27,72 / 648,04 = 0,0428

Ответ: 5,83% нитрата цинка, 9,86% нитрата алюминия, 4,28% азотной кислоты.

Пример 6.При обработке 17,4 г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось 4,48 л газа (н.у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты — 8,96 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 NO₂, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

Ответ к примеру 6: 36,8% меди, 32,2% железа, 31% алюминия.

Гальванический элемент.

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани.

Типы гальванических элементов: элементы с разнородными электродами, концентрационные элементы, термогальванические элементы.

Гальванический элемент – это устройство, состоящее из 2 электродов, опущенных в раствор электролитов и соединенных вне электролита внешним проводом; устройство, создающее ЭДС в результате протекания хим.реакций на электродах.

Процессы превращения хим.энергии в электрическую имеет место в гальванических элементах. Электрод, на котором протекает процесс окисления, наз-ют анодом, его считают отрицательным. Электрод, на котором протекает процесс восстановления, наз-ют катодом, его считают положительным. Электроны выходят из элемента через анод и движутся во внешней цепи к катоду. Правила записи: слева располагается анод, справа - катод;

Процессы на электродах.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции': окисление протекает на одном металле, а восстановление —• на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди (рис. 82). Этот элемент (элемент Якоби — Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т. е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn²⁺ + 2е-

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Си²⁺ + 2е- = Си

Суммарное уравнение реакции, протекающейв элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленноедвижение ионов.

Направление движения ионов в растворе обусловлено протекающими у электродов электрохимическими процессами. Как уже сказано, у цинкового электрода катионы выходят в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного электрода раствор, наоборот, все время обедняется катионами, так что ; здесь раствор заряжается отрицательно. В результате этого создается электрическое поле, в котором катионы, находящиеся в растворе (Си²⁺ и Zn²+), движутся от цинкового электрода к медному, а анионы —SO^2-—в обратном направлении. В итоге жидкость у обоих электродов остается электронейтральной. Схема движения электронов и ионов при работе медно-цинкового эле­мента показана на рис. 83.

Электрод, на котором протекает окисление, называется а н о д о м. Электрод, на котором протекает восстановление, называется к а т о д о м. В медно-цинковом элементе цинковый электрод является анодом, а медный — катодом.