Решение: Массовая доля карбоната натрия
Фосфид кальция массой 18,2 г растворили в 182,5 г 20%-ного раствора соляной кислоты. К полученному раствору добавили 200,2 г кристаллической соды ($\mathrm{Na_2CO_3 \cdot 10H_2O}$). Определите массовую долю карбоната натрия в конечном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Решение по шагам
16 шаговЗапишем уравнения реакций, происходящих при выполнении условия:
$$\mathrm{Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow}$$После добавления соды соляная кислота реагирует с карбонатом натрия:
$$\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O}$$Образовавшийся хлорид кальция также реагирует с карбонатом натрия с образованием осадка:
$$\mathrm{CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl}$$Рассчитаем количество вещества фосфида кальция:
$$M(\mathrm{Ca_3P_2})=3\cdot40+2\cdot31=182\ \mathrm{г/моль};\quad n(\mathrm{Ca_3P_2})=\frac{18{,}2\ \mathrm{г}}{182\ \mathrm{г/моль}}=0{,}1\ \mathrm{моль}$$Масса соляной кислоты в растворе и её количество вещества равны:
$$m(\mathrm{HCl})=182{,}5\ \mathrm{г}\cdot0{,}20=36{,}5\ \mathrm{г};\quad n(\mathrm{HCl})=\frac{36{,}5\ \mathrm{г}}{36{,}5\ \mathrm{г/моль}}=1{,}0\ \mathrm{моль}$$Для реакции с фосфидом кальция потребуется $0{,}6\ \mathrm{моль}$ соляной кислоты, поэтому кислота находится в избытке. После первой реакции образуется:
$$n(\mathrm{CaCl_2})=3n(\mathrm{Ca_3P_2})=3\cdot0{,}1=0{,}3\ \mathrm{моль}$$Количество оставшейся соляной кислоты составляет:
$$n_{\text{ост}}(\mathrm{HCl})=1{,}0-6\cdot0{,}1=0{,}4\ \mathrm{моль}$$Рассчитаем количество вещества кристаллической соды:
$$M(\mathrm{Na_2CO_3\cdot10H_2O})=106+10\cdot18=286\ \mathrm{г/моль};\quad n(\mathrm{Na_2CO_3\cdot10H_2O})=\frac{200{,}2\ \mathrm{г}}{286\ \mathrm{г/моль}}=0{,}7\ \mathrm{моль}$$На нейтрализацию оставшейся соляной кислоты потребуется:
$$n_1(\mathrm{Na_2CO_3})=\frac{n_{\text{ост}}(\mathrm{HCl})}{2}=\frac{0{,}4}{2}=0{,}2\ \mathrm{моль}$$На реакцию с хлоридом кальция потребуется:
$$n_2(\mathrm{Na_2CO_3})=n(\mathrm{CaCl_2})=0{,}3\ \mathrm{моль}$$Общее количество соды, необходимое для обеих реакций, равно:
$$n_{\text{расх}}(\mathrm{Na_2CO_3})=0{,}2+0{,}3=0{,}5\ \mathrm{моль}$$Однако кристаллической соды внесено $0{,}7\ \mathrm{моль}$. После нейтрализации кислоты оставшиеся $0{,}5\ \mathrm{моль}$ карбоната натрия реагируют с $0{,}3\ \mathrm{моль}$ хлорида кальция. Следовательно, фактически на эти реакции расходуется вся сода:
$$0{,}2+0{,}3=0{,}5\ \mathrm{моль}$$Уточнение расчёта: в первой реакции фосфид кальция потребляет $0{,}6\ \mathrm{моль}$ HCl, а образовавшийся $\mathrm{CaCl_2}$ связывает $0{,}3\ \mathrm{моль}$ карбоната натрия. Из внесённых $0{,}7\ \mathrm{моль}$ соды $0{,}2\ \mathrm{моль}$ расходуется на оставшиеся $0{,}4\ \mathrm{моль}$ HCl и $0{,}3\ \mathrm{моль}$ — на осаждение кальция; остаётся $0{,}2\ \mathrm{моль}$ карбоната натрия.
$$n_{\text{ост}}(\mathrm{Na_2CO_3})=0{,}7-0{,}2-0{,}3=0{,}2\ \mathrm{моль}$$Масса карбоната натрия в конечном растворе:
$$m(\mathrm{Na_2CO_3})=0{,}2\ \mathrm{моль}\cdot106\ \mathrm{г/моль}=21{,}2\ \mathrm{г}$$Масса конечного раствора определяется с учётом выделившихся газов $\mathrm{PH_3}$ и $\mathrm{CO_2}$, а также осадка $\mathrm{CaCO_3}$. Масса осадка составляет $0{,}3\cdot100=30\ \mathrm{г}$, масса фосфина — $0{,}2\cdot34=6{,}8\ \mathrm{г}$, масса углекислого газа — $0{,}2\cdot44=8{,}8\ \mathrm{г}$:
$$m_{\text{кон. раствора}}=18{,}2+182{,}5+200{,}2-6{,}8-8{,}8-30=355{,}3\ \mathrm{г}$$Массовая доля карбоната натрия в конечном растворе равна:
$$\omega(\mathrm{Na_2CO_3})=\frac{21{,}2\ \mathrm{г}}{355{,}3\ \mathrm{г}}\cdot100\%=5{,}97\%\approx6{,}0\%$$Массовая доля карбоната натрия в конечном растворе составляет примерно $6{,}0\%$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Не учитывать реакцию карбоната натрия с образовавшимся хлоридом кальция.
Считать массу кристаллогидрата массой безводного карбоната натрия.
Не вычитать из общей массы системы выделившиеся газы и выпавший осадок при расчёте массы конечного раствора.
При расчёте массовой доли использовать массу всей смеси вместо массы конечного раствора.