Решение: Массовая доля сульфата цинка
К 64 г насыщенного раствора гидроксида натрия добавили 25,7 г фосфида цинка. После окончания реакции к образовавшемуся раствору прилили 137,2 г 50%-ного раствора серной кислоты. Вычислите массовую долю сульфата цинка в конечном растворе. В условиях, при которых были проведены реакции, растворимость гидроксида натрия составляет 100 г на 100 г воды, сульфата цинка — 57,7 г на 100 г воды, растворимость сульфата натрия — 28 г на 100 г воды.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления. Указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин.
Решение по шагам
13 шаговВ 64 г насыщенного раствора содержится 32 г $\mathrm{NaOH}$ и 32 г воды, поскольку растворимость гидроксида натрия равна 100 г на 100 г воды.
$$m(\mathrm{NaOH})=\frac{64\cdot100}{100+100}=32\ \mathrm{г}$$Рассчитаем количество вещества фосфида цинка и гидроксида натрия.
$$n(\mathrm{Zn_3P_2})=\frac{25{,}7}{226}=0{,}1137\ \mathrm{моль};\quad n(\mathrm{NaOH})=\frac{32}{40}=0{,}800\ \mathrm{моль}$$Фосфид цинка реагирует с водой и щёлочью с образованием растворимого комплексного соединения цинка и фосфина.
$$\mathrm{Zn_3P_2+6NaOH+6H_2O\rightarrow 3Na_2[Zn(OH)_4]+2PH_3\uparrow}$$Для реакции с фосфидом цинка требуется гидроксид натрия.
$$n(\mathrm{NaOH})=6n(\mathrm{Zn_3P_2})=6\cdot0{,}1137=0{,}6823\ \mathrm{моль}$$Гидроксид натрия взят в избытке.
$$n_{\text{изб}}(\mathrm{NaOH})=0{,}800-0{,}6823=0{,}1177\ \mathrm{моль}$$Количество вещества серной кислоты в 137,2 г 50%-ного раствора равно:
$$m(\mathrm{H_2SO_4})=137{,}2\cdot0{,}50=68{,}6\ \mathrm{г};\quad n(\mathrm{H_2SO_4})=\frac{68{,}6}{98}=0{,}700\ \mathrm{моль}$$Сначала серная кислота нейтрализует избыток щёлочи, затем реагирует с комплексным соединением цинка.
$$\mathrm{2NaOH+H_2SO_4\rightarrow Na_2SO_4+2H_2O};\quad \mathrm{Na_2[Zn(OH)_4]+H_2SO_4\rightarrow ZnSO_4+Na_2SO_4+4H_2O}$$На нейтрализацию избытка гидроксида натрия потребуется:
$$n(\mathrm{H_2SO_4})=\frac{0{,}1177}{2}=0{,}05885\ \mathrm{моль}$$Количество вещества образовавшегося сульфата цинка равно количеству вещества фосфида цинка.
$$n(\mathrm{ZnSO_4})=n(\mathrm{Zn_3P_2})=0{,}1137\ \mathrm{моль};\quad m(\mathrm{ZnSO_4})=0{,}1137\cdot161=18{,}31\ \mathrm{г}$$Проверим растворимость солей. Приблизительное количество воды в конечном растворе составляет 139,6 г. Максимально в таком количестве воды может раствориться около 80,5 г сульфата цинка и около 39,1 г сульфата натрия. Поэтому образовавшиеся количества солей растворяются полностью.
$$m_{\max}(\mathrm{ZnSO_4})=139{,}6\cdot\frac{57{,}7}{100}=80{,}5\ \mathrm{г};\quad m_{\max}(\mathrm{Na_2SO_4})=139{,}6\cdot\frac{28}{100}=39{,}1\ \mathrm{г}$$При взаимодействии фосфида цинка выделяется фосфин.
$$n(\mathrm{PH_3})=\frac{2}{1}n(\mathrm{Zn_3P_2})=0{,}2274\ \mathrm{моль};\quad m(\mathrm{PH_3})=0{,}2274\cdot34=7{,}73\ \mathrm{г}$$Масса конечного раствора равна сумме масс исходных веществ за вычетом массы выделившегося газа.
$$m_{\text{р-ра}}=64+25{,}7+137{,}2-7{,}73=219{,}17\ \mathrm{г}$$Рассчитаем массовую долю сульфата цинка.
$$w(\mathrm{ZnSO_4})=\frac{18{,}31}{219{,}17}\cdot100\%=8{,}35\%$$Массовая доля сульфата цинка в конечном растворе составляет $8{,}35\%$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Не учитывать, что из насыщенного раствора гидроксида натрия только половина массы приходится на $\mathrm{NaOH}$.
Не учитывать выделение газа $\mathrm{PH_3}$ при расчёте массы конечного раствора.
Считать, что образовавшийся сульфат цинка выпадает в осадок, не проверив его растворимость.
Использовать количество серной кислоты без учёта её массовой доли в растворе.