Готовимся к олимпиадам, страница 130 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. Закончите уравнение окислительно-восстановительной реакции: $$Mg + H_2SO_{4 \text{ (конц.)}} \rightarrow MgSO_4 + H_2S + ...$$

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Рассчитайте массу серной кислоты, которая должна вступить в реакцию с магнием, чтобы выделившийся сероводород полностью поглотился раствором гидроксида натрия массой 300 г с массовой долей NaOH, равной 27 %, если потери сероводорода составляют 5 %.

1. Завершение и уравнивание уравнения реакции

Взаимодействие активных металлов, таких как магний, с концентрированной серной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией. Продуктами являются соль (сульфат магния), вода и продукт восстановления серы. В данном случае сера восстанавливается до сероводорода ($H_2S$). Таким образом, недостающий продукт реакции — вода ($H_2O$).

Исходное уравнение реакции:

$Mg + H_2SO_4 \text{(конц.)} \rightarrow MgSO_4 + H_2S + H_2O$

Расставим коэффициенты методом электронного баланса. Для этого определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$\stackrel{0}{Mg} + H_2\stackrel{+6}{S}O_4 \rightarrow \stackrel{+2}{Mg}SO_4 + H_2\stackrel{-2}{S} + H_2O$

Магний повышает свою степень окисления с 0 до +2, являясь восстановителем. Сера понижает свою степень окисления с +6 до -2, являясь окислителем.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$ | 4 (окисление, восстановитель)

$S^{+6} + 8e^- \rightarrow S^{-2}$ | 1 (восстановление, окислитель)

Найдём наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов. НОК(2, 8) = 8. Это означает, что в реакции участвуют 4 атома магния и 1 атом серы, меняющий степень окисления до -2.

Подставим эти коэффициенты в уравнение:

$4Mg + H_2SO_4 \rightarrow 4MgSO_4 + 1H_2S + H_2O$

Теперь уравняем остальные элементы. Справа у нас 4 атома серы в $MgSO_4$ и 1 атом серы в $H_2S$, итого 5 атомов серы. Следовательно, слева нужно взять 5 молекул $H_2SO_4$:

$4Mg + 5H_2SO_4 \rightarrow 4MgSO_4 + H_2S + H_2O$

Уравняем водород. Слева в 5 молекулах $H_2SO_4$ содержится $5 \cdot 2 = 10$ атомов водорода. Справа 2 атома водорода в $H_2S$. Значит, в молекулах воды должно быть $10 - 2 = 8$ атомов водорода, что соответствует 4 молекулам $H_2O$.

$4Mg + 5H_2SO_4 \rightarrow 4MgSO_4 + H_2S + 4H_2O$

Проверим баланс по кислороду. Слева: $5 \cdot 4 = 20$ атомов. Справа: $4 \cdot 4 + 4 \cdot 1 = 16 + 4 = 20$ атомов. Баланс соблюден.

Ответ: $4Mg + 5H_2SO_4 \rightarrow 4MgSO_4 + H_2S + 4H_2O$

2. Расчет массы серной кислоты

Дано:

$m(р-ра \, NaOH) = 300 \, г$

$\omega(NaOH) = 27\% = 0.27$

Потери $H_2S = 5\% = 0.05$

Найти:

$m(H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. Найдем массу и количество вещества гидроксида натрия в растворе.

Молярная масса $NaOH$: $M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \, г/моль$.

Масса чистого $NaOH$: $m(NaOH) = m(р-ра) \cdot \omega(NaOH) = 300 \, г \cdot 0.27 = 81 \, г$.

Количество вещества $NaOH$: $n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{81 \, г}{40 \, г/моль} = 2.025 \, моль$.

2. Сероводород ($H_2S$) – двухосновная кислота, при полном поглощении щелочью образует среднюю соль (сульфид натрия).

Уравнение реакции поглощения сероводорода:

$H_2S + 2NaOH \rightarrow Na_2S + 2H_2O$

По уравнению реакции, на 1 моль $H_2S$ расходуется 2 моль $NaOH$.

3. Рассчитаем количество вещества сероводорода, которое прореагировало с гидроксидом натрия.

$n_{реаг.}(H_2S) = \frac{1}{2} n(NaOH) = \frac{1}{2} \cdot 2.025 \, моль = 1.0125 \, моль$.

4. Учтем, что были потери сероводорода в размере 5%. Это значит, что в реакцию с $NaOH$ вступило $100\% - 5\% = 95\%$ от всего выделившегося $H_2S$. Рассчитаем общее количество вещества выделившегося сероводорода.

$n_{общ.}(H_2S) = \frac{n_{реаг.}(H_2S)}{1 - 0.05} = \frac{1.0125 \, моль}{0.95} \approx 1.0658 \, моль$.

5. Используя уравнение основной реакции, найдем количество вещества серной кислоты, необходимое для получения данного количества сероводорода.

$4Mg + 5H_2SO_4 \rightarrow 4MgSO_4 + H_2S + 4H_2O$

Из уравнения следует, что для получения 1 моль $H_2S$ требуется 5 моль $H_2SO_4$.

$\frac{n(H_2SO_4)}{5} = \frac{n_{общ.}(H_2S)}{1}$

$n(H_2SO_4) = 5 \cdot n_{общ.}(H_2S) = 5 \cdot 1.0658 \, моль \approx 5.329 \, моль$.

6. Найдем массу серной кислоты.

Молярная масса $H_2SO_4$: $M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98 \, г/моль$.

Масса серной кислоты: $m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 5.329 \, моль \cdot 98 \, г/моль \approx 522.24 \, г$.

Ответ: масса серной кислоты составляет 522.24 г.