При некоторой температуре приготовили насыщенный раствор гидроксида натрия. Полученный раствор перелили в пустую колбу, при этом масса колбы увеличилась на 64 г. В образовавшийся раствор поместили навеску фосфида цинка массой 25,7 г. После прекращения выделения газа к образовавшемуся прозрачному раствору прилили 137,2 г 50%-ного раствора серной кислоты. Вычислите массовую долю сульфата цинка в конечном растворе. В условиях, при которых были проведены реакции, растворимость гидроксида натрия составляет 100 г на 100 г воды, сульфата цинка — 57,7 г на 100 г воды, растворимость сульфата натрия — 28 г на 100 г воды.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин).
1) 6NaOH + Zn3P2 + 6H2O = 3Na2[Zn(OH)4] + 2PH3
2) Na2[Zn(OH)4] + 2H2SO4 = ZnSO4 + Na2SO4 + 4H2O
3) 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O
Уравнения реакций составлены верно и соответствуют условию.
Определение исходных количеств реагентов:
Растворимость NaOH составляет 100 г вещества на 100 г воды
m(насыщенного р-ра NaOH по данным растворимости) = m(NaOH по данным растворимости) + m(H2O по данным растворимости) = 100 + 100 = 200 г
Насыщенный раствор NaOH массой 200 г содержит 100 г растворенного NaOH
m(NaOH) / m(р-ра NaOH из условия) = m(NaOH по данным растворимости) / m(р-ра NaOH по данным растворимости)
m(NaOH) = m(NaOH по данным растворимости) · m(р-ра NaOH из условия) / m(р-ра NaOH по данным растворимости) = 100 · 64 / 200 = 32 г
n(NaOH) = m(NaOH) / M(NaOH) = 32 / 40 = 0,8 моль
n(Zn3P2) = m(Zn3P2) / M(Zn3P2) = 25,7 / 257 = 0,1 моль
m(H2SO4) = m(р-ра H2SO4) / 100 % · ω(H2SO4) = 137,2 / 100 % · 50 % = 68,6 г
n(H2SO4) = m(H2SO4) / M(H2SO4) = 68,6 / 98 = 0,7 моль
Определение расхода NaOH и H2SO4:
n(NaOH прореаг. в реакции 1) = 6 · n(Zn3P2) = 6 · 0,1 = 0,6 моль
n(NaOH ост.) = n(NaOH) - n(NaOH прореаг. в реакции 1) = 0,8 - 0,6 = 0,2 моль
n(Na2[Zn(OH)4]) = 3 · n(Zn3P2) = 3 · 0,1 = 0,3 моль
n(H2SO4 прореаг. в реакции 2) = 2 · n(Na2[Zn(OH)4]) = 2 · 0,3 = 0,6 моль
n(NaOH прореаг. в реакции 3) = n(NaOH ост.) = 0,2 моль
n(H2SO4 прореаг. в реакции 3) = n(NaOH прореаг. в реакции 3) / 2 = 0,2 / 2 = 0,1 моль
n(H2SO4 прореаг.) = n(H2SO4 прореаг. в реакции 2) + n(H2SO4 прореаг. в реакции 3) = 0,6 + 0,1 = 0,7 моль
n(H2SO4 ост.) = n(H2SO4) - n(H2SO4 прореаг.) = 0,7 - 0,7 = 0 моль
n(NaOH после реакции 3) = n(NaOH ост.) - n(NaOH прореаг. в реакции 3) = 0,2 - 0,2 = 0 моль
Определение количества образовавшихся солей:
n(Na2SO4, реакция 2) = n(Na2[Zn(OH)4]) = 0,3 моль
n(Na2SO4, реакция 3) = n(NaOH прореаг. в реакции 3) / 2 = 0,2 / 2 = 0,1 моль
n(Na2SO4) = n(Na2SO4, реакция 2) + n(Na2SO4, реакция 3) = 0,3 + 0,1 = 0,4 моль
m(Na2SO4) = n(Na2SO4) · M(Na2SO4) = 0,4 · 142 = 56,8 г
n(ZnSO4) = 3 · n(Zn3P2) = 3 · 0,1 = 0,3 моль
m(ZnSO4) = n(ZnSO4) · M(ZnSO4) = 0,3 · 161 = 48,3 г
n(PH3) = 2 · n(Zn3P2) = 2 · 0,1 = 0,2 моль
m(PH3) = n(PH3) · M(PH3) = 0,2 · 34 = 6,8 г
Учёт растворимости Na2SO4 и нахождение массовой доли ZnSO4:
m(реакционной смеси) = m(р-ра NaOH) + m(Zn3P2) + m(р-ра H2SO4) - m(PH3) = 64 + 25,7 + 137,2 - 6,8 = 220,1 г
Так как NaOH и H2SO4 прореагировали полностью, в реакционной смеси до кристаллизации находятся Na2SO4, ZnSO4 и H2O
m(H2O) = m(реакционной смеси) - m(Na2SO4) - m(ZnSO4) = 220,1 - 56,8 - 48,3 = 115 г
Растворимость ZnSO4 составляет 57,7 г вещества на 100 г воды
m(ZnSO4 максимальная в р-ре) / m(H2O в р-ре) = m(ZnSO4 по данным растворимости) / m(H2O по данным растворимости)
m(ZnSO4 максимальная в р-ре) = m(ZnSO4 по данным растворимости) · m(H2O в р-ре) / m(H2O по данным растворимости) = 57,7 · 115 / 100 = 66,355 г
m(ZnSO4) в растворе = 48,3 г, а m(ZnSO4 максимальная в р-ре) = 66,355 г
48,3 г < 66,355 г, значит весь образовавшийся ZnSO4 остаётся в растворе и не выпадает в осадок
Растворимость Na2SO4 составляет 28 г вещества на 100 г воды
m(Na2SO4 в р-ре) / m(H2O) = m(Na2SO4 по данным растворимости) / m(H2O по данным растворимости)
m(Na2SO4 в р-ре) = m(Na2SO4 по данным растворимости) · m(H2O) / m(H2O по данным растворимости) = 28 · 115 / 100 = 32,2 г
m(Na2SO4 осадок) = m(Na2SO4) - m(Na2SO4 в р-ре) = 56,8 - 32,2 = 24,6 г
m(конечного р-ра) = m(реакционной смеси) - m(Na2SO4 осадок) = 220,1 - 24,6 = 195,5 г
ω(ZnSO4) = m(ZnSO4) / m(конечного р-ра) · 100 % = 48,3 / 195,5 · 100 % = 24,7 %
Ход решения изложен логично и последовательно.
Верно произведены вычисления.
Ответ: ω(ZnSO4) = 24,7 %
Получен правильный ответ.