Через 400 г 36%-ного раствора нитрата железа(II) пропустили электрический ток. При этом объём газа, выделившегося на катоде, оказался в 2 раза меньше объёма газа, выделившегося на аноде, а массовая доля нитрата железа(II) уменьшилась до 10,19 %. К полученному раствору добавили 120 г 40%-ного раствора карбоната аммония. Вычислите массовую долю нитрата железа(II) в конечном растворе. Возможными процессами окисления ионов Fe²⁺ и их осаждения из околокатодного пространства пренебречь.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
1) 2Fe(NO3)2 + 2H2O = 2Fe + 4HNO3 + O2
2) 2H2O = 2H2 + O2
3) (NH4)2CO3 + 2HNO3 = 2NH4NO3 + H2O + CO2
Уравнения реакций составлены верно и соответствуют условию.
Определение состава раствора после электролиза:
m(Fe(NO3)2 исх.) = m(исх. р-ра) / 100 % · ω(Fe(NO3)2) = 400 / 100 % · 36 % = 144 г
n(Fe(NO3)2 исх.) = m(Fe(NO3)2 исх.) / M(Fe(NO3)2) = 144 / 180 = 0,8 моль
n(H2) = 2 · n(O2, реакция 2)
По условию V(H2) в 2 раза меньше V(O2 всего). При одинаковых условиях это значит, что n(H2) в 2 раза меньше n(O2 всего)
V(H2) / V(O2 всего) = 1 / 2
V(H2) · 2 = V(O2 всего) · 1
n(H2) · Vm · 2 = n(O2 всего) · Vm · 1
n(H2) · 2 = n(O2 всего) · 1
n(O2 всего) = n(H2) · 2 / 1
n(O2 всего) = 2 · n(O2, реакция 2) · 2 / 1 = 4 · n(O2, реакция 2)
n(O2, реакция 1) = n(O2 всего) - n(O2, реакция 2) = 3 · n(O2, реакция 2)
n(Fe(NO3)2 прореаг.) = 2 · n(O2, реакция 1) = 6 · n(O2, реакция 2)
m(Fe(NO3)2 ост.) = m(Fe(NO3)2 исх.) - n(Fe(NO3)2 прореаг.) · M(Fe(NO3)2) = 144 - 6 · n(O2, реакция 2) · 180 = 144 - 1080 · n(O2, реакция 2)
n(Fe) = n(Fe(NO3)2 прореаг.) = 6 · n(O2, реакция 2)
m(Fe) = n(Fe) · M(Fe) = 6 · n(O2, реакция 2) · 56 = 336 · n(O2, реакция 2)
m(O2 всего) = n(O2 всего) · M(O2) = 4 · n(O2, реакция 2) · 32 = 128 · n(O2, реакция 2)
m(H2) = n(H2) · M(H2) = 2 · n(O2, реакция 2) · 2 = 4 · n(O2, реакция 2)
m(р-ра после электролиза) = m(исх. р-ра) - m(Fe) - m(O2 всего) - m(H2) = 400 - 468 · n(O2, реакция 2)
По условию ω(Fe(NO3)2 после электролиза) = 10,19 %
(144 - 1080 · n(O2, реакция 2)) / (400 - 468 · n(O2, реакция 2)) = 0,1019 [1]
Пусть n(O2, реакция 2) = x моль, тогда:
(144 - 1080x) / (400 - 468x) = 0,1019 [1]
x = 0,1
n(O2, реакция 2) = 0,1 моль
n(O2, реакция 1) = 3 · n(O2, реакция 2) = 3 · 0,1 = 0,3 моль
n(Fe(NO3)2 прореаг.) = 6 · 0,1 = 0,6 моль
n(Fe(NO3)2 ост.) = n(Fe(NO3)2 исх.) - n(Fe(NO3)2 прореаг.) = 0,8 - 0,6 = 0,2 моль
m(Fe(NO3)2 ост.) = n(Fe(NO3)2 ост.) · M(Fe(NO3)2) = 0,2 · 180 = 36 г
Расчёты после добавления (NH4)2CO3:
n(HNO3) = 4 · n(O2, реакция 1) = 4 · 0,3 = 1,2 моль
m((NH4)2CO3) = m(р-ра (NH4)2CO3) / 100 % · ω((NH4)2CO3) = 120 / 100 % · 40 % = 48 г
n((NH4)2CO3) = m((NH4)2CO3) / M((NH4)2CO3) = 48 / 96 = 0,5 моль
Для полного прохождения третьей реакции, исходя из ее уравнения, на 1 моль (NH4)2CO3 требуется 2 моль HNO3
n(HNO3 требуемое) = 2 · n((NH4)2CO3) = 2 · 0,5 = 1 моль
n(HNO3) = 1,2 моль, а n(HNO3 требуемое) = 1 моль
1,2 моль > 1 моль, поэтому HNO3 в избытке, значит (NH4)2CO3 прореагировал полностью
n(CO2) = n((NH4)2CO3) = 0,5 моль
m(CO2) = n(CO2) · M(CO2) = 0,5 · 44 = 22 г
Нахождение массовой доли Fe(NO3)2:
m(р-ра после электролиза) = 400 - 468 · 0,1 = 353,2 г
m(конечного р-ра) = m(р-ра после электролиза) + m(р-ра (NH4)2CO3) - m(CO2) = 353,2 + 120 - 22 = 451,2 г
ω(Fe(NO3)2) = m(Fe(NO3)2 ост.) / m(конечного р-ра) · 100 % = 36 / 451,2 · 100 % = 8 %
Ход решения изложен логично и последовательно.
Верно произведены вычисления.
Ответ: ω(Fe(NO3)2) = 8 %
Получен правильный ответ.