34.08 Смеси

Уравнение реакции:

1) Zn + I₂ → ZnI₂

Изначально в замкнутом сосуде нагрели цинк с йодом. В результате этого происходит химическая реакция, согласно 1 уравнению. Однако неизвестно какой из реагентов находится в недостатке или же все вещества прореагировали полностью без остатка. Выясним это, исходя из массового соотношения веществ:

m (Zn) / m (I₂) = 1 / 2,54;

(n (Zn) * M (Zn)) / (n (I₂) * M (I₂)) = 1 / 2,54; Количество веществ на данном этапе неизвестно, однако мы можем найти молярные массы веществ:

(n (Zn) * 65 (г/моль)) / (n (I₂) * 254 (г/моль)) = 1 / 2,54; Преобразуем выражение, используя свойства дробей.

(n (Zn) / n (I₂)) * (65 (г/моль) / 254 (г/моль)) = 1 / 2,54;

n (Zn) / n (I₂) = (1 * 254 (г/моль)) / (2,54 * 65 (г/моль)) = 1 / 0,65. Мы нашли количественное соотношение веществ.

Так как соотношение коэффициентов реагентов в первом уравнении составляет 1:1, то из этого следует, что в реакции участвует одинаковое количество цинка и йода. Однако из найденного выше соотношения количеств реагентов до реакции следует, что цинк был в избытке, поэтому после первой реакции останутся лишь цинк и йодид цинка.

Уравнения реакций после добавления раствора гидроксида натрия:

2) Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

3) ZnI₂ + 4NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] + 2NaI

Цель задачи - найти массовую долю гидроксида натрия в конечном растворе. Эта цель подразумевает собой то, что гидроксид натрия в сильном избытке, следовательно, выбор таких продуктов во 2 и 3 реакциях верен, а также цинк и йодид цинка прореагировали с гидроксидом натрия полностью без остатка.

По условию в результате реакций с гидроксидом натрий выделился газ (водород), найдем его количество:

n (H₂) = V (H₂) / V_m = 1,568 л / 22,4 (л/моль) = 0,07 моль.

Во второй реакции соотношение коэффициентов водорода и цинка составляет 1:1, следовательно, их количество одинаково: n (Zn) _{2 реакции} = n (H₂) = 0,07 моль. Цинк во второй реакции - остатки цинка из первой реакции. Изначальное количественное соотношение цинка и йода составляло 1 : 0,65, то есть на каждый моль цинка приходилось в смеси 0,65 моль йода. В результате первой реакции йод прореагировал полностью с таким же количеством цинка, то есть количество оставшего цинка из соотношения: 1 - 0,65 = 0,35, то есть с каждого моля цинка осталось бы 0,35 моль. Выше из количества водорода мы нашли именно это остаточное количество цинка, то есть такое количество цинка, которому из соотношения соответствует 0,35. Из этого мы можем найти количество цинка, которое прореагировало в первой реакции через пропорцию:

Пусть х - количество цинка, вступившего во взаимодействие в первом уравнении реакции, тогда:

0,07 моль соответствует 0,35

х моль соответствует 0,65.

х моль = (0,65 * 0,07 (моль)) / 0,35 = 0,13 моль. Это количество цинка, вступившего в 1 реакцию.

Так как соотношение в первой реакции йода и цинка составляет 1:1, то n (Zn) _{прореаг. в  1} = n (ZnI₂) = 0,13 моль.

Далее, весь полученный йодид цинка полностью прореагировал с гидроксидом натрия, найдем количество гидроксида натрия, затраченного для протекания 3 реакции:

Соотношение коэффициентов йодида цинка и гидроксида натрия в 3 реакции составляет 1:2, следовательно, количество гидроксида натрия в 2 раза больше количества цинка. Найдем количество:

n (NaOH) _{3 реакции} = n (Zn)  * 4 = 0,13 моль * 4 = 0,52 моль.

Соотношение коэффициентов цинка и гидроксида натрия во 2 реакции составляет 1:4, следовательно, количество гидроксида натрия в 4 раза больше количества йодида цинка. Найдем количество:

n (NaOH) _{2 реакции} = n (Zn) _{2 реакции} * 2 = 0,07 моль * 2 = 0,14 моль.

Найдем общее количество прореагировавшего гидроксида натрия:

n (NaOH) _общ. = n (NaOH) _{2 реакции} + n (NaOH) _{3 реакции} = 0,14 моль + 0,52 моль = 0,66 моль.

Теперь найдем изначальное количество гидроксида натрия в добавляемом растворе до реакций. Сначала найдем массу щелочи в добавляемом растворе через массовую долю:

20% = 0,2; m (NaOH) _изнач. = m (р-ра NaOH) * w (NaOH) = 200 * 0,2 = 40 г.

Через найденную массу найдем количество изначальной щелочи:

n (NaOH) _изнач. = m (NaOH) _изнач. / M (NaOH) = 40 г / 40 (г/моль) = 1 моль.

Затем найдем остаточное количество гидроксида натрия после всех реакций:

n (NaOH) _ост. = n (NaOH) _изнач. - n (NaOH) _общ. = 1 моль - 0,66 моль = 0,34 моль.

Найдем массу остатка гидроксида натрия:

m (NaOH) _ост. = n (NaOH) _ост. * M (NaOH) = 0,34 моль * 40 (г/моль) = 13,6 г.

Это первый компонент итогового действия задачи (вычисление массовой доли щелочи в конечном растворе). Второй компонент итогового действия - масса конечного раствора. Определимся из чего состоит конечный раствор: изначально была смесь цинка и йода, к ней добавили раствор гидроксида натрия известной по условию массы, затем из раствора улетучился водород, после этого получается наш конечный раствор. Чтобы вычислить массу конечного раствора нужно найти массы водорода и изначальных цинка и йода.

Найдем общее количество цинка, благо ранее мы уже нашли нужные для этого количества:

n (Zn) _общ. = n (Zn) _{прореаг. в  1} + n (Zn) _{2 реакции} = 0,13 моль + 0,07 моль = 0,2 моль. Из этого количества найдем общую массу: m (Zn) _общ. = n (Zn) _общ. * M (Zn) = 0,2 моль * 65 (г/моль) = 13 г.

Найдем изначальное количество йода: в 1 реакции соотношение коэффициентов йодида цинка и йода составляет 1:1, следовательно, n (I₂) _изнач. = n (ZnI₂) = 0,13 моль. Найдем массу изначального йода: m (I₂) _изнач. = n (I₂) _изнач. * M (I₂) = 0,13 моль * 254 (г/моль) = 33,02 г.

Найдем массу водорода: m (H₂) = n (H₂) * M (H₂) = 0,07 моль * 2 г/моль = 0,14 г.

Найдем массу конечного раствора:

m (кон р-ра) = m (Zn) _общ. + m (I₂) _изнач. + m (р-ра NaOH) - m (H₂) = 13 г + 33,02 г + 200 г - 0,14 г = 245,88 г. Это второй компонент итогового действия.

Найдем масссовую долю щелочи в конечном растворе:

w (NaOH) = (m (NaOH) _ост. / m (кон р-ра)) * 100% = (13,6 г / 245,88 г) * 100% ≈ 5,53%.

Итак, массовая доля гидроксида натрия в конечном растворе составляет 5,53%. Это наш ответ.