7. В реакции участвует пластинка

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