Готовимся к олимпиадам, страница 86 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. В результате обработки сплава двух металлов массой 50 г избытком раствора щёлочи выделился газ объемом $43,5 \text{ дм}^3$ (н. у.) и образовался твердый остаток. Его растворение в избытке соляной кислоты привело к образованию раствора зеленого цвета и дополнительному выделению водорода объемом $5,74 \text{ дм}^3$ (н. у.). Определите состав сплава, ответ подтвердите расчетом. Как называется остаток, полученный при растворении сплава в щёлочи, и для чего он используется в химической промышленности?

Дано:

$m_{сплава} = 50$ г
$V_1(H_2) = 43.5$ дм³ (н. у.)
$V_2(H_2) = 5.74$ дм³ (н. у.)
Раствор соли второго металла - зеленого цвета.

Найти:

$\omega(Me1)$ - ?
$\omega(Me2)$ - ?
Название остатка - ?
Применение остатка - ?

Решение:

Определите состав сплава, ответ подтвердите расчетом.

1. При обработке сплава избытком раствора щелочи один из металлов прореагировал с выделением газа, а второй остался в виде твердого остатка. Реакция металла со щелочью с выделением водорода характерна для амфотерных металлов, таких как алюминий (Al) или цинк (Zn).

2. Найдем количество вещества водорода ($H_2$), выделившегося в первой реакции, используя молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m = 22.4$ дм³/моль):
$n_1(H_2) = \frac{V_1(H_2)}{V_m} = \frac{43.5 \text{ дм³}}{22.4 \text{ дм³/моль}} \approx 1.942 \text{ моль}$

3. Проверим, какой из амфотерных металлов мог быть в сплаве.
а) Предположим, что это алюминий (Al). Уравнение реакции:
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$
Из стехиометрии реакции следует, что количество вещества алюминия относится к количеству вещества водорода как 2:3.
$n(Al) = \frac{2}{3} n_1(H_2) = \frac{2}{3} \times 1.942 \text{ моль} \approx 1.295 \text{ моль}$.
Рассчитаем массу алюминия ($M(Al) = 27$ г/моль):
$m(Al) = n(Al) \times M(Al) = 1.295 \text{ моль} \times 27 \text{ г/моль} \approx 34.96 \text{ г}$.
Масса 34.96 г меньше общей массы сплава (50 г), следовательно, это возможно.

б) Предположим, что это цинк (Zn). Уравнение реакции:
$Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 \uparrow$
Из стехиометрии реакции следует, что $n(Zn) = n_1(H_2) = 1.942 \text{ моль}$.
Рассчитаем массу цинка ($M(Zn) \approx 65.4$ г/моль):
$m(Zn) = n(Zn) \times M(Zn) = 1.942 \text{ моль} \times 65.4 \text{ г/моль} \approx 127 \text{ г}$.
Полученная масса значительно превышает массу всего сплава (50 г), что невозможно.

Таким образом, первый металл в сплаве – это алюминий (Al).

4. Твердый остаток – это второй металл (Me2). Найдем его массу:
$m(Me2) = m_{сплава} - m(Al) = 50 \text{ г} - 34.96 \text{ г} = 15.04 \text{ г}$.

5. Остаток растворяется в соляной кислоте с выделением водорода и образованием раствора зеленого цвета. Это означает, что Me2 – это металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений до водорода, а его хлорид образует раствор зеленого цвета. Такими свойствами обладают, например, железо(II) и никель(II).

6. Найдем количество вещества водорода, выделившегося во второй реакции:
$n_2(H_2) = \frac{V_2(H_2)}{V_m} = \frac{5.74 \text{ дм³}}{22.4 \text{ дм³/моль}} \approx 0.256 \text{ моль}$.

7. Определим молярную массу второго металла. Предположим, что он, как железо или никель, проявляет в реакции с кислотой степень окисления +2.
Общее уравнение реакции: $Me2 + 2HCl \rightarrow Me2Cl_2 + H_2 \uparrow$.
Из уравнения следует, что $n(Me2) = n_2(H_2) = 0.256 \text{ моль}$.
Рассчитаем молярную массу второго металла:
$M(Me2) = \frac{m(Me2)}{n(Me2)} = \frac{15.04 \text{ г}}{0.256 \text{ моль}} \approx 58.75 \text{ г/моль}$.

8. Сравним полученное значение с молярными массами металлов-кандидатов: $M(Fe) \approx 56$ г/моль; $M(Ni) \approx 58.7$ г/моль.
Рассчитанная молярная масса практически идеально совпадает с молярной массой никеля. Кроме того, растворы солей никеля(II) имеют характерный зеленый цвет.
Следовательно, второй металл – это никель (Ni).

9. Рассчитаем массовые доли металлов в исходном сплаве:
$\omega(Al) = \frac{m(Al)}{m_{сплава}} \times 100\% = \frac{34.96 \text{ г}}{50 \text{ г}} \times 100\% = 69.92\%$.
$\omega(Ni) = \frac{m(Ni)}{m_{сплава}} \times 100\% = \frac{15.04 \text{ г}}{50 \text{ г}} \times 100\% = 30.08\%$.

Ответ: Сплав состоит из алюминия (Al) и никеля (Ni). Массовая доля алюминия составляет 69.92%, массовая доля никеля – 30.08%.

Как называется остаток, полученный при растворении сплава в щёлочи, и для чего он используется в химической промышленности?

Сплав алюминия и никеля используется для получения катализатора, известного как никель Ренея или скелетный никель. Его получают путем обработки такого сплава концентрированным раствором щелочи. Щелочь растворяет (выщелачивает) алюминий, оставляя высокопористую губчатую структуру из чистого никеля, обладающую очень высокой каталитической активностью.
В химической промышленности никель Ренея является одним из наиболее распространенных катализаторов для процессов гидрирования — присоединения водорода к органическим соединениям. Он используется, например, при гидрогенизации растительных масел для получения маргарина, в синтезе спиртов из альдегидов и кетонов, аминов из нитросоединений и во многих других важных промышленных процессах.

Ответ: Остаток называется никель Ренея (скелетный никель). Он используется в химической промышленности в качестве катализатора для реакций гидрирования.