В 700 г раствора серной кислоты с массовой долей H₂SO₄ 89 % поместили тонкоизмельчённый цинк. Взаимодействие протекало с выделением двух газов — сероводорода и водорода. Полученную газовую смесь пропустили через раствор, содержащий 15,12 г гидроксида лития, в результате чего не поглотилось 6,272 л (н. у.) газа, гидроксид лития прореагировал полностью, и образовался раствор двух солей с равными массовыми долями. Найдите массовую долю серной кислоты в растворе после завершения реакции с цинком.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин).
1) 4Zn + 5H2SO4 = 4ZnSO4 + H2S + 4H2O
2) Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
3) H2S + LiOH = LiHS + H2O
4) H2S + 2LiOH = Li2S + 2H2O
Уравнения реакций составлены верно и соответствуют условию.
Определение количества H2 и исходной массы H2SO4:
С раствором LiOH не реагирует H2. По условию после пропускания газовой смеси образовался раствор, содержащий одновременно LiHS и Li2S. Следовательно, H2S не находился в избытке и был полностью поглощён раствором LiOH. Поэтому непоглощённым газом является только H2
n(H2) = V(H2) / Vm = 6,272 / 22,4 = 0,28 моль
m(H2) = n(H2) · M(H2) = 0,28 · 2 = 0,56 г
n(Zn, реакция 2) = n(H2) = 0,28 моль
m(H2SO4 исх.) = m(исх. р-ра H2SO4) / 100 % · ω(H2SO4) = 700 / 100 % · 89 % = 623 г
n(LiOH) = m(LiOH) / M(LiOH) = 15,12 / 24 = 0,63 моль
Определение количества H2S по составу раствора LiOH:
n(LiOH, реакция 3) = n(LiHS)
n(LiOH, реакция 4) = 2 · n(Li2S)
n(LiOH) = n(LiOH, реакция 3) + n(LiOH, реакция 4) = n(LiHS) + 2 · n(Li2S) = 0,63 моль
n(LiHS) + 2 · n(Li2S) = 0,63 [1]
По условию ω(LiHS) = ω(Li2S). Поскольку обе соли находятся в одном растворе, m(LiHS) = m(Li2S)
m(LiHS) = n(LiHS) · M(LiHS) = 40 · n(LiHS)
m(Li2S) = n(Li2S) · M(Li2S) = 46 · n(Li2S)
40 · n(LiHS) = 46 · n(Li2S) [2]
Пусть n(LiHS) = x моль, n(Li2S) = y моль, тогда:
x + 2y = 0,63 [1]
40x = 46y [2]
x = 0,23
y = 0,2
n(H2S, реакция 3) = n(LiHS) = 0,23 моль
n(H2S, реакция 4) = n(Li2S) = 0,2 моль
n(H2S) = n(H2S, реакция 3) + n(H2S, реакция 4) = 0,23 + 0,2 = 0,43 моль
m(H2S) = n(H2S) · M(H2S) = 0,43 · 34 = 14,62 г
Определение количества Zn и израсходованной H2SO4:
n(Zn, реакция 1) = 4 · n(H2S) = 4 · 0,43 = 1,72 моль
n(Zn всего) = n(Zn, реакция 1) + n(Zn, реакция 2) = 1,72 + 0,28 = 2 моль
m(Zn) = n(Zn всего) · M(Zn) = 2 · 65 = 130 г
n(H2SO4 прореаг. в реакции 1) = 5 · n(H2S) = 5 · 0,43 = 2,15 моль
n(H2SO4 прореаг. в реакции 2) = n(H2) = 0,28 моль
n(H2SO4 прореаг. всего) = n(H2SO4 прореаг. в реакции 1) + n(H2SO4 прореаг. в реакции 2) = 2,15 + 0,28 = 2,43 моль
m(H2SO4 прореаг. всего) = n(H2SO4 прореаг. всего) · M(H2SO4) = 2,43 · 98 = 238,14 г
m(H2SO4 ост.) = m(H2SO4 исх.) - m(H2SO4 прореаг. всего) = 623 - 238,14 = 384,86 г
Нахождение массовой доли H2SO4 после реакции с Zn:
m(р-ра после реакции с Zn) = m(исх. р-ра H2SO4) + m(Zn) - m(H2S) - m(H2) = 700 + 130 - 14,62 - 0,56 = 814,82 г
ω(H2SO4) = m(H2SO4 ост.) / m(р-ра после реакции с Zn) · 100 % = 384,86 / 814,82 · 100 % = 47,2 %
Ход решения изложен логично и последовательно.
Верно произведены вычисления.
Ответ: ω(H2SO4) = 47,2 %
Получен правильный ответ.