Готовимся к олимпиадам, страница 114 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. Вещество массой 15,2 г сожгли в избытке кислорода с образованием только газообразных продуктов. Полученную смесь газов разделили на две равные части. Первую часть пропустили через избыток водного раствора NaOH, а вторую — через аналогичный раствор с добавлением $H_2O_2$. К полученным растворам прибавляли нитрат бария до прекращения выпадения белого осадка. Масса осадка, выпавшего из второго раствора, оказалась больше на 3,2 г. Какое вещество было сожжено? Ответ подтвердите уравнениями реакций и расчетами.

Дано

m(вещества) = 15,2 г

Δm(осадка) = $m_{2} - m_{1}$ = 3,2 г

В системе СИ:

m(вещества) = 0,0152 кг

Δm(осадка) = 0,0032 кг

Найти:

Формула вещества - ?

Решение

1. При сжигании вещества в избытке кислорода образовались только газообразные продукты. Полученную смесь газов разделили на две равные части. Это означает, что в каждой части содержится одинаковое количество каждого газообразного продукта.

2. Первую часть смеси пропустили через избыток раствора $NaOH$. При этом кислотные оксиды, образовавшиеся при сгорании, вступают в реакцию с щелочью. Затем добавление нитрата бария $Ba(NO_{3})_2$ приводит к выпадению белого осадка.

3. Вторую часть смеси пропустили через раствор $NaOH$ с добавлением пероксида водорода $H_{2}O_{2}$. $H_{2}O_{2}$ является окислителем. Разница в массе осадков, выпадающих в первом и втором случаях, указывает на то, что в продуктах сгорания был оксид, способный к дальнейшему окислению. Таким оксидом может быть $SO_2$, который окисляется до $SO_3$ (в водном растворе - сульфит-ион $SO_{3}^{2-}$ окисляется до сульфат-иона $SO_{4}^{2-}$). Это означает, что в состав исходного вещества входила сера (S). Продуктами сгорания, которые реагируют с щелочью, являются $SO_2$ и, возможно, $CO_2$ (если в веществе был углерод).

4. Запишем уравнения реакций для обеих частей смеси.

Для первой части (без $H_{2}O_{2}$):

$SO_{2} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}SO_{3} + H_{2}O$

$Na_{2}SO_{3} + Ba(NO_{3})_{2} \rightarrow BaSO_{3} \downarrow + 2NaNO_{3}$

Если присутствовал $CO_2$:

$CO_{2} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}CO_{3} + H_{2}O$

$Na_{2}CO_{3} + Ba(NO_{3})_{2} \rightarrow BaCO_{3} \downarrow + 2NaNO_{3}$

Масса осадка в первом случае: $m_{1} = m(BaSO_{3}) + m(BaCO_{3})$

Для второй части (с $H_{2}O_{2}$):

Пероксид водорода в щелочной среде окисляет сульфит натрия до сульфата натрия:

$Na_{2}SO_{3} + H_{2}O_{2} \rightarrow Na_{2}SO_{4} + H_{2}O$

При добавлении нитрата бария выпадает осадок сульфата бария:

$Na_{2}SO_{4} + Ba(NO_{3})_{2} \rightarrow BaSO_{4} \downarrow + 2NaNO_{3}$

Реакция с $CO_2$ не изменяется. Масса осадка во втором случае: $m_{2} = m(BaSO_{4}) + m(BaCO_{3})$

5. Разница в массах осадков обусловлена заменой $BaSO_3$ на $BaSO_4$. Количество карбоната бария в обоих случаях одинаково.

$\Delta m = m_{2} - m_{1} = m(BaSO_{4}) - m(BaSO_{3}) = 3,2$ г

Пусть количество вещества $SO_2$ в одной части смеси равно $n(SO_2)$. Тогда $n(BaSO_3) = n(BaSO_4) = n(SO_2)$.

$n(SO_2) \cdot M(BaSO_4) - n(SO_2) \cdot M(BaSO_3) = 3,2$ г

$n(SO_2) \cdot (M(BaSO_4) - M(BaSO_3)) = 3,2$ г

Рассчитаем молярные массы:

$M(BaSO_4) = 137 + 32 + 4 \cdot 16 = 233$ г/моль

$M(BaSO_3) = 137 + 32 + 3 \cdot 16 = 217$ г/моль

$n(SO_2) \cdot (233 - 217)$ г/моль = 3,2 г

$n(SO_2) \cdot 16$ г/моль = 3,2 г

$n(SO_2) = \frac{3,2}{16} = 0,2$ моль

6. Это количество $SO_2$ содержалось в половине газовой смеси. Общее количество $SO_2$, образовавшегося при сжигании 15,2 г вещества, равно:

$n_{общ}(SO_2) = 0,2 \cdot 2 = 0,4$ моль

Количество вещества атомов серы в исходном веществе равно общему количеству вещества $SO_2$:

$n(S) = n_{общ}(SO_2) = 0,4$ моль

Масса серы в исходном веществе:

$m(S) = n(S) \cdot M(S) = 0,4 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 12,8$ г

7. Масса остальных элементов в веществе:

$m_{ост} = m(\text{вещества}) - m(S) = 15,2 \text{ г} - 12,8 \text{ г} = 2,4$ г

Поскольку при сгорании образовался кислотный оксид ($SO_2$), логично предположить, что другим элементом является углерод, который образует газообразный кислотный оксид $CO_2$. Проверим эту гипотезу. Пусть оставшиеся 2,4 г приходятся на углерод.

$m(C) = 2,4$ г

Количество вещества атомов углерода:

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{2,4 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} = 0,2$ моль

8. Найдем соотношение молей атомов C и S в веществе:

$n(C) : n(S) = 0,2 : 0,4 = 1 : 2$

Простейшая формула вещества - $CS_2$.

9. Проверим, соответствует ли эта формула исходным данным. Найдем молярную массу $CS_2$:

$M(CS_2) = 12 + 2 \cdot 32 = 76$ г/моль

Найдем количество вещества для 15,2 г $CS_2$:

$n(CS_2) = \frac{m}{M} = \frac{15,2 \text{ г}}{76 \text{ г/моль}} = 0,2$ моль

Из 0,2 моль $CS_2$ получается $n(C) = 0,2$ моль и $n(S) = 2 \cdot 0,2 = 0,4$ моль. Эти значения совпадают с рассчитанными нами. Следовательно, искомое вещество - сероуглерод ($CS_2$).

10. Уравнение реакции горения сероуглерода:

$CS_{2} + 3O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2SO_{2}$

Все продукты ($CO_2$, $SO_2$) являются газообразными, что соответствует условию задачи.

Ответ: Сожженное вещество – сероуглерод, формула $CS_2$.