" В РАСТВОР ПОГРУЖЕНА ПЛАСТИНКА..."

Пучки расчетных задач

Продолжение. См. № 44, 46, 48/2003;
9, 14, 21, 39, 44/2004;
3, 16, 20/2005;
1/2006

Рассмотрено растворение пластинок металлов в растворах солей менее активных металлов, сопровождаемое массопереносом (с пластинки в раствор и из раствора на пластинку). Взаимодействующие системы: Zn–р-р NiSO₄ (H-1), Zn–р-р FeCl₃ (H-2),
Zn–р-р CuSO₄ (H-3, H-5), Mn–р-р SnSO₄ (H-4) и др. Интересно, что в ряде случаев металлы растворяются и в растворах солей более активных металлов. Например: Zn–р-р AlCl₃
(Н-2), Cu–р-р FeCl₃ (H-6). Задачи H-12 и Н-13 – на определение металлов неизвестных солей в растворе.

Пучок задач М

Н-1. Будет ли взаимодействовать цинк со следующими водными растворами: а) 1М соляной кислоты; б) 1М сульфата никеля; в) 1М нитрата магния [1]?

Н-2. Известно, что металлический цинк растворяется в водном растворе дихлорида цинка (почему?). Будет ли цинк растворяться в водных растворах хлорида калия, дихлорида бария, трихлорида алюминия, трихлорида железа? Дайте мотивированный ответ и приведите уравнения возможных реакций [2].

Н-3. Цинковая пластинка массой 50 г была погружена в раствор сульфата меди(II). После окончания реакции промытая и высушенная пластинка имела массу 49,82 г. Объясните изменение массы пластинки и определите массу сульфата меди(II), находившегося в растворе [3].

Н-4. Деталь из марганца погрузили в раствор сульфата олова(II). Через некоторое время масса детали увеличилась на 2,56 г. Какая масса олова выделилась на детали? Какая масса марганца перешла в раствор [см. 1]?

Н-5. Цинковая пластинка массой 10 г была помещена в раствор сульфата меди(II). После окончания реакции, когда вся медь выделилась на пластинке, пластинку промыли, высушили и взвесили. Масса пластинки оказалась равной 9,9 г. Напишите уравнение реакции и определите массу сульфата меди(II), находившегося в исходном растворе [4].

Н-6. В раствор трихлорида железа погрузили медную пластинку. После полного растворения пластинки молярная концентрация исходной соли уменьшилась в 1,5 раза. В раствор внесли еще одну медную пластинку такой же массы, что и первая. Во сколько раз молярная концентрация трихлорида железа будет отличаться от молярной концентрации дихлорида меди после полного растворения второй пластинки [см. 1]?

Н-7. Магниевую пластинку погрузили в 40%-й раствор дихлорида цинка массой 68 г. Через некоторое время масса пластинки изменилась на 4,1 г. Во сколько раз изменилось содержание (по массе) дихлорида цинка в растворе? Во сколько раз изменилась массовая доля дихлорида цинка в растворе (изменением объема раствора можно пренебречь) [5]?

Н-8. В раствор дихлорида меди массой 130 г погрузили железную пластинку. Спустя некоторое время масса раствора уменьшилась на 3,2 г. Определите массу ионов меди, перешедших из раствора в виде металла на железную пластинку [6].

Н-9. В стакан, содержащий 200 г 10%-го раствора соляной кислоты, погрузили цинковую пластинку. После того как ее вынули, промыли и просушили, оказалось, что ее масса на 6,5 г меньше, чем до начала реакции. Определите концентрацию кислоты в оставшемся растворе [см. 3].

Н-10. 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 [см. 1].

Н-11. В 500 г раствора серной кислоты полностью растворился алюминий массой 8,1 г. После этого в раствор внесли магниевые опилки, часть которых растворилась, а массовая доля сульфата алюминия при этом в образовавшемся растворе стала 9,9%. Найдите массовую долю серной кислоты в исходном растворе [см. 5]. (Считайте, что магний не вытесняет алюминий из его сульфата Al₂(SO₄)₃.)

Н-12. Две одинаковые цинковые пластинки массой по 10 г каждая были погружены одновременно в два раствора: один c солью неизвестного двухвалентного металла, а второй – содержащий соль железа(II). Спустя некоторое время пластинки были извлечены из растворов, промыты, просушены и взвешены. Масса первой из них оказалась равной 17,1 г, а второй – 9,55 г. Известно также, что в реакции вступили одинаковые количества веществ исходных металлов. Дайте объяснение всем происходившим процессам и определите металл, входивший в состав неизвестной соли [7].

Н-13. Цинковую пластинку погрузили в раствор сульфата некоторого металла. Масса раствора равна 50 г. Металл в сульфате находился в степени окисления +2. Через некоторое время масса пластинки увеличилась на 1,08 г. При этом массовая доля сульфата цинка в растворе стала равна 6,58%. Какой металл выделился на пластинке [см. 1]?

Н-1. Надо воспользоваться рядом стандартных электродных потенциалов и найти значения потенциалов цинкового, водородного, никелевого и магниевого электродов. Поскольку стандартный электродный потенциал цинкового электрода меньше стандартных потенциалов водорода и никеля, то цинк будет взаимодействовать с растворами соляной кислоты и сульфата никеля.

Потенциал магниевого электрода меньше, чем цинкового, поэтому цинк не будет взаимодействовать с растворами солей магния.

Н-2. Вследствие гидролиза хлорида цинка его раствор имеет кислую реакцию среды:

Zn²⁺ + HOH = ZnOH⁺ + H⁺.

Если в этот кислый раствор погрузить металлический цинк, то протекает следующая реакция:

Zn⁰ + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂,

приводящая к растворению цинка.

По этой же причине цинк будет растворяться в растворах трихлорида алюминия и трихлорида железа, которые вследствие гидролиза имеют кислый характер:

Al³⁺ + HOH = AlOH²⁺ + H⁺,

Fe³⁺ + HOH = FeOH²⁺ + H⁺.

Кроме того, в растворе трихлорида железа возможно и такое окислительно-восстановительное взаимодействие:

Zn⁰ + 2Fe³⁺ = Zn²⁺ + 2Fe²⁺.

Хлориды калия и бария в растворах не гидролизуются, поэтому цинк в них не растворяется.

Н-3. m(CuSO₄) = 28,8 г.

Н-4.

m(Sn) = 4,76 г;

m(Mn) = 2,2 г.

Н-5. Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu,

m(CuSO₄) = 16,0 г.

Н-6. Молярные концентрации солей будут равны.

Н-7. Cодержание ZnCl₂ в растворе по массе уменьшится в 2 раза; массовая доля уменьшится в 1,88 раза.

Н-8. CuCl₂ + Fe = Cu + FeCl₂.

Если в этом уравнении мы обозначим массу железа, перешедшего в раствор в виде ионов, через m(Fe), а массу меди – через m(Cu), то изменение массы пластинки можно записать так:

m = m(Cu) – m(Fe).

Количества вещества меди и железа равны (см. уравнение реакции):

m(Cu)/M(Cu) = m(Fe)/M(Fe). (а)

Массу меди выразим через массу железа:

m(Cu) = (m(Fe) + 3,2) г

и подставим в уравнение (а):

(m(Fe) + 3,2)/М(Cu) = m(Fe)/М(Fe).

Отсюда m(Fe) = 22,4 г, следовательно, m(Cu) = 25,6 г.

Н-9. (HCl) = 6,16%.

Н-10. (MgSO₄) = 10%.

Н-11. (H₂SO₄) = 18,62%.

Н-12. Поскольку масса 1-й пластинки увеличивается, значит, M(M) > M(Zn). Железо выделяется на 2-й пластинке, и она становится легче, т.к. M(Fe) < M(Zn). Неизвестный металл М – свинец.

Н-13. Уравнение этой реакции можно записать так:

Zn + MSO4 = ZnSO4 + M.

Если масса пластинки увеличилась на 1,08 г, то масса раствора в целом уменьшилась на столько же. Найдем массу раствора после окончания реакции:

m(р-ра) = 50 – 1,08 = 48,92 г.

Масса образовавшегося сульфата цинка:

m(ZnSO₄) = m(р-ра)•(ZnSO₄) = 48,92•0,0658 = 3,22 г.

Количество вещества сульфата цинка:

(ZnSO₄) = m(ZnSO₄)/M(ZnSO₄) = 3,22/161 = 0,02 моль.

Из уравнения реакции следует:

(М) = (Zn) = (ZnSO₄) = 0,02 моль.

Следовательно, в раствор перешло 0,02 моль цинка, а на пластинке осадилось такое же количество вещества металла М.

Масса цинка, перешедшего в раствор:

m(Zn) = (Zn)•М(Zn) = 0,2•65 = 1,3 г.

Масса металла, осевшего на пластинке:

m(М) = m(Zn) + 1,08 = 1,3 + 1,08 = 2,38 г.

Молярная масса неизвестного металла:

М(М) = m(М)/n(М) = 2,38/0,02 = 119 г/моль.

Неизвестный металл М – олово.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Задачи по химии для поступающих в вузы. М., 1994, 302 с.

2. Оржековский П.А., Медведев Ю.Н., Чураков А.В., Чуранов С.С. Всероссийская химическая олимпиада школьников: Книга для учителя. М., 1996, 184 с.

3. Чуранов С.С. Химические олимпиады в школе. М., 1982, 191 с.

4. Сборник задач по химии (авторский коллектив «Дельта»). М., 1991, 48 с.

5. Воловик В.Б., Крутецкая Е.Б. Неорганическая химия. Упражнения и задачи. СПб., 1999, 136 с.

6. Химия. Пособие для подготовки к вступительному экзамену (химико-фармацевтический институт). Сост. Н.Н.Беляев, Н.Г.Тихомирова. Л., 1991, 47 с.

7. Польские химические олимпиады (сборник задач). Под ред. С.С.Чуранова. М., 1980, 532 с.

С.В.Телешов, учитель химии,
И.Кутумов
(г. Нефтеюганск)