Задание №34
Массовая доля элемента азота в смеси нитратов магния и калия
составляет 0,1636. Навеску этой смеси осторожно нагрели до постоянной массы. При этом выделилось 5,6 л (н.у.) кислорода. Такую же навеску смеси растворили в 160 мл воды и полученный раствор добавили к 250 мл раствора фторида натрия с концентрацией 0,4 моль/л. Плотность всех растворов примите равной 1 г/мл. Рассчитайте массовую долю нитрат-ионов в образовавшемся растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи,
и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин).
Проверка решения с помощью ИИ доступна авторизованным пользователям
Решение. Нитраты магния и калия при прокаливании разлагаются по-разному: нитрат магния (металл средней активности) даёт оксид, бурый газ и кислород, а нитрат калия (щелочной металл) — нитрит и кислород. Кислород выделяется в обоих случаях, поэтому его количество связывает состав смеси.
Уравнения реакций:
1) 2Mg(NO3)2 → (t°) 2MgO + 4NO2↑ + O2↑
2) 2KNO3 → (t°) 2KNO2 + O2↑
3) Mg(NO3)2 + 2NaF → MgF2↓ + 2NaNO3
1. Состав навески. Пусть в навеске a моль Mg(NO3)2 и b моль KNO3.
n(O2) = 5,6 л / 22,4 л/моль = 0,25 моль
По уравнениям 1 и 2 из каждого нитрата кислорода получается вдвое меньше, чем взято соли:
a/2 + b/2 = 0,25 моль, то есть a + b = 0,5 моль
Массовая доля азота: в Mg(NO3)2 два атома азота, в KNO3 — один:
w(N) = 14 г/моль · (2a + b) / (148 г/моль · a + 101 г/моль · b) = 0,1636
Подставив b = 0,5 − a:
14 · (a + 0,5) = 0,1636 · (47a + 50,5)
14a + 7 = 7,6892a + 8,2618 → 6,3108a = 1,2618 → a = 0,2 моль, b = 0,3 моль
m(навески) = 0,2 моль · 148 г/моль + 0,3 моль · 101 г/моль = 29,6 г + 30,3 г = 59,9 г
Проверка: n(N) = 2 · 0,2 моль + 0,3 моль = 0,7 моль, m(N) = 9,8 г; w(N) = 9,8 г / 59,9 г = 0,1636 — совпадает с условием.
2. Растворы. Такую же навеску (59,9 г) растворили в 160 мл воды, плотность растворов принята равной 1 г/мл, поэтому m(H2O) = 160 г и масса полученного раствора равна 59,9 г + 160 г = 219,9 г.
Раствор фторида натрия: m(р-ра NaF) = 250 мл · 1 г/мл = 250 г
n(NaF) = 0,250 л · 0,4 моль/л = 0,1 моль
3. Осаждение. Из двух солей с фторидом натрия реагирует только соль магния — фторид магния нерастворим, а фторид калия растворим (уравнение 3). По уравнению на 1 моль Mg(NO3)2 нужно 2 моль NaF; для 0,2 моль соли потребовалось бы 0,4 моль NaF, а его всего 0,1 моль — фторид натрия в недостатке, соль магния в избытке. Расчёт ведём по NaF:
n(MgF2) = n(NaF) / 2 = 0,1 моль / 2 = 0,05 моль
m(MgF2) = 0,05 моль · 62 г/моль = 3,1 г
4. Массовая доля нитрат-ионов. Все нитраты (магния, калия, образовавшийся нитрат натрия) растворимы, поэтому нитрат-ионы целиком остаются в растворе:
n(NO3−) = 2 · 0,2 моль + 0,3 моль = 0,7 моль
m(NO3−) = 0,7 моль · 62 г/моль = 43,4 г
m(р-ра кон.) = 219,9 г + 250 г − 3,1 г = 466,8 г
w(NO3−) = 43,4 г / 466,8 г = 0,0930, или 9,30 %
Ответ: w(NO3−) ≈ 9,30 %.
Источник: ФИПИ