Номер 691, страница 125 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

691. Навеску железа массой 840 мг поместили в трубку, подогрели и пропустили через трубку избыток хлороводорода, а затем хлор объёмом (н. у.) 78,8 $cm^3$. Рассчитайте массовые доли веществ в твёрдом продукте, полученном в результате этого эксперимента.

Дано:

m(Fe) = 840 мг

V(Cl₂) = 78,8 см³ (н. у.)

HCl - избыток

Переведём данные в единицы, удобные для расчётов (граммы, литры):

m(Fe) = 840 мг = 0,840 г

V(Cl₂) = 78,8 см³ = 0,0788 л

Найти:

ω(FeCl₂) - ?

ω(FeCl₃) - ?

Решение:

Эксперимент проходит в две стадии. Сначала железо реагирует с избытком хлороводорода, затем полученный продукт реагирует с хлором.

1. Реакция железа с хлороводородом:

Железо, как металл средней активности, реагирует с газообразным HCl при нагревании с образованием хлорида железа(II) и водорода. Так как HCl взят в избытке, всё железо прореагирует.

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

Рассчитаем количество вещества (моль) исходного железа. Молярная масса железа M(Fe) ≈ 56 г/моль.

$n(Fe) = \frac{m(Fe)}{M(Fe)} = \frac{0,840 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0,015 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, из 1 моль Fe образуется 1 моль FeCl₂. Следовательно, количество вещества образовавшегося хлорида железа(II) равно количеству вещества исходного железа:

$n(FeCl_2)_{\text{исх.}} = n(Fe) = 0,015 \text{ моль}$

2. Реакция хлорида железа(II) с хлором:

Хлор является сильным окислителем и окисляет хлорид железа(II) до хлорида железа(III). Оба вещества являются твёрдыми при условиях эксперимента.

$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Рассчитаем количество вещества (моль) хлора, пропущенного через трубку. Молярный объём газа при нормальных условиях (н. у.) $V_m = 22,4$ л/моль.

$n(Cl_2) = \frac{V(Cl_2)}{V_m} = \frac{0,0788 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,003518 \text{ моль}$

Теперь определим, какое из веществ (FeCl₂ или Cl₂) находится в недостатке. Согласно уравнению реакции, на 2 моль FeCl₂ требуется 1 моль Cl₂.

У нас есть 0,015 моль FeCl₂ и примерно 0,003518 моль Cl₂.

Необходимое количество FeCl₂ для реакции с имеющимся Cl₂:

$n(FeCl_2)_{\text{необх.}} = 2 \cdot n(Cl_2) = 2 \cdot 0,003518 \text{ моль} \approx 0,007036 \text{ моль}$

Поскольку у нас есть 0,015 моль FeCl₂, что больше, чем 0,007036 моль, FeCl₂ находится в избытке, а Cl₂ — в недостатке. Расчёт ведём по недостатку (по Cl₂).

3. Расчёт состава твёрдого продукта:

Твёрдый продукт после второй реакции представляет собой смесь непрореагировавшего хлорида железа(II) и образовавшегося хлорида железа(III).

Количество вещества FeCl₂, вступившего в реакцию, равно $n(FeCl_2)_{\text{необх.}}$:

$n(FeCl_2)_{\text{прореаг.}} = 2 \cdot n(Cl_2) \approx 0,007036 \text{ моль}$

Количество вещества FeCl₂, оставшегося в смеси:

$n(FeCl_2)_{\text{ост.}} = n(FeCl_2)_{\text{исх.}} - n(FeCl_2)_{\text{прореаг.}} = 0,015 - 0,007036 \approx 0,007964 \text{ моль}$

Количество вещества FeCl₃, образовавшегося в результате реакции (согласно стехиометрии $2FeCl_2 \rightarrow 2FeCl_3$):

$n(FeCl_3) = n(FeCl_2)_{\text{прореаг.}} \approx 0,007036 \text{ моль}$

Теперь рассчитаем массы компонентов твёрдой смеси.

Молярная масса FeCl₂: $M(FeCl_2) = 56 + 2 \cdot 35,5 = 127$ г/моль.

Молярная масса FeCl₃: $M(FeCl_3) = 56 + 3 \cdot 35,5 = 162,5$ г/моль.

Масса оставшегося FeCl₂:

$m(FeCl_2)_{\text{ост.}} = n(FeCl_2)_{\text{ост.}} \cdot M(FeCl_2) = 0,007964 \text{ моль} \cdot 127 \text{ г/моль} \approx 1,0114 \text{ г}$

Масса образовавшегося FeCl₃:

$m(FeCl_3) = n(FeCl_3) \cdot M(FeCl_3) = 0,007036 \text{ моль} \cdot 162,5 \text{ г/моль} \approx 1,1434 \text{ г}$

Общая масса твёрдого продукта:

$m_{\text{смеси}} = m(FeCl_2)_{\text{ост.}} + m(FeCl_3) \approx 1,0114 \text{ г} + 1,1434 \text{ г} = 2,1548 \text{ г}$

4. Расчёт массовых долей веществ в твёрдом продукте:

Массовая доля (ω) рассчитывается по формуле: $ \omega(\text{вещество}) = \frac{m(\text{вещество})}{m_{\text{смеси}}} \cdot 100\% $

Массовая доля FeCl₂:

$\omega(FeCl_2) = \frac{1,0114 \text{ г}}{2,1548 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 46,94\%$

Массовая доля FeCl₃:

$\omega(FeCl_3) = \frac{1,1434 \text{ г}}{2,1548 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 53,06\%$

Ответ: Массовые доли веществ в твёрдом продукте: хлорид железа(II) - 46,94%; хлорид железа(III) - 53,06%.