Задание №34 — Типы расчётных задач
Смесь меди и оксида меди(I) растворили в избытке концентрированной азотной кислоты. При этом образовалось 470 г раствора, в котором массовая доля соли составила 40%. Соль выделили из раствора, а оставшийся раствор нейтрализовали гидроксидом натрия. Известно, что соотношение масс меди, оксида меди(I) и гидроксида натрия составляет 8 : 9 : 20. Определите массовую долю азотной кислоты в исходном 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. Концентрированная азотная кислота окисляет и медь, и оксид меди(I) до нитрата меди(II), газообразный продукт восстановления кислоты — NO2. Избыток кислоты затем нейтрализуется щёлочью.
Уравнения реакций:
Cu + 4HNO3 (конц.) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Cu2O + 6HNO3 (конц.) → 2Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 3H2O
HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O
Количество соли. m(Cu(NO3)2) = 470 г · 0,40 = 188 г; n(Cu(NO3)2) = 188 г / 188 г/моль = 1 моль.
Состав смеси. Пусть m(Cu) = 8k г, m(Cu2O) = 9k г, m(NaOH) = 20k г.
n(Cu) = 8k / 64 = 0,125k моль; n(Cu2O) = 9k / 144 = 0,0625k моль.
Вся медь обоих веществ оказалась в соли (из 1 моль Cu2O получается 2 моль соли):
0,125k + 2 · 0,0625k = 0,25k = 1 моль, отсюда k = 4.
Тогда m(Cu) = 32 г (0,5 моль), m(Cu2O) = 36 г (0,25 моль), m(NaOH) = 80 г (2 моль).
Азотная кислота. Кислота расходуется на растворение обоих веществ и остаётся в избытке, который нейтрализован щёлочью (1 моль NaOH нейтрализует 1 моль HNO3):
на медь: n(HNO3) = 4 · 0,5 моль = 2 моль;
на оксид меди(I): n(HNO3) = 6 · 0,25 моль = 1,5 моль;
в избытке: n(HNO3) = n(NaOH) = 80 г / 40 г/моль = 2 моль;
всего n(HNO3) = 2 + 1,5 + 2 = 5,5 моль; m(HNO3) = 5,5 моль · 63 г/моль = 346,5 г.
Масса исходного раствора кислоты. Масса конечного раствора складывается из массы раствора кислоты и растворённых веществ за вычетом улетевшего газа:
n(NO2) = 2 · 0,5 моль + 2 · 0,25 моль = 1,5 моль; m(NO2) = 1,5 моль · 46 г/моль = 69 г;
m(р-ра HNO3) = 470 г − 32 г − 36 г + 69 г = 471 г.
Массовая доля кислоты: w(HNO3) = 346,5 г / 471 г · 100 % = 73,57 %.
Проверка: 32 г : 36 г : 80 г = 8 : 9 : 20 — заданное соотношение масс выполняется; значение около 74 % отвечает концентрированной азотной кислоте.
Ответ: Cu + 4HNO3 (конц.) → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O; Cu2O + 6HNO3 (конц.) → 2Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 3H2O; HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O; w(HNO3) = 73,57 %.
Источник: ФИПИ