Условие задачи

Через 10%-й раствор гидроксида натрия массой 160 г пропустили углекислый газ объемом 6,72 л (н. у.). Вычислите массовые доли солей в образовавшемся растворе.

Решение

Наша задача относится к неорганической химии, а именно к реакционной стехиометрии при взаимодействии углекислого газа с щелочами.

Мы имеем 10 %-й раствор гидроксида натрия массой 160 г. Это означает, что в растворе содержится 10 % массу NaOH и 90 % воду. Таким образом, масса NaOH равна

m(NaOH) = 0,10 × 160 г = 16 г.

Молярная масса NaOH приблизительно равна 40 г/моль, поэтому число молей NaOH равно

n(NaOH) = 16 г ÷ 40 г/моль = 0,4 моль.

Углекислый газ (CO₂) подан объёмом 6,72 л при нормальных условиях (н. у.), где мольный объём равен 22,4 л/моль. Тогда число молей CO₂ равно

n(CO₂) = 6,72 л ÷ 22,4 л/моль = 0,3 моль.

При пропускании CO₂ через раствор NaOH могут протекать две реакции:

1) При недостатке щёлочи:
CO₂ + NaOH → NaHCO₃.
2) При избытке щёлочи:
2 NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O.

Поскольку в нашем случае количество NaOH (0,4 моль) меньше, чем нужно для превращения всего СО₂ в карбонат (для 0,3 моль CO₂ потребовалось бы 0,6 моль NaOH), получится смесь солей. Можно рассмотреть, что часть СО₂ будет превращена в натрийкарбонат (Na₂CO₃), а оставшаяся ― в натрийгидрокарбонат (NaHCO₃). Пусть х (в моль) – количество CO₂, которое прореагирует по схеме 2), тогда:

2 NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O (для х моль CO₂)
NaOH + CO₂ → NaHCO₃ (для 0,3 – х моль CO₂)

Общее потребление NaOH будет:
2x + (0,3 – x) = x + 0,3 моль.

Это количество должно равняться имеющимся 0,4 моль NaOH:
x + 0,3 = 0,4 ⇒ x = 0,1 моль.

Таким образом, в результате реакции получаем:
• Na₂CO₃ – 0,1 моль;
• NaHCO₃ – 0,3 – 0,1 = 0,2 моль.

Теперь найдём массы этих солей.

Для натрийкарбоната (Na₂CO₃) молярная масса приблизительно равна:
2×23 + 12 + 3×16 = 46 + 12 + 48 = 106 г/моль,
m(Na₂CO₃) = 0,1 моль × 106 г/моль = 10,6 г.

Для натрийгидрокарбоната (NaHCO₃) молярная масса приблизительно равна:
23 + 1 + 12 + 3×16 = 23 + 1 + 12 + 48 = 84 г/моль,
m(NaHCO₃) = 0,2 моль × 84 г/моль = 16,8 г.

Общая масса образовавшихся солей равна:
10,6 г + 16,8 г = 27,4 г.

Массовая доля каждой соли определяется как отношение массы соли к суммарной массе солей, выраженное в процентах:

Для Na₂CO₃:
w(Na₂CO₃) = (10,6 г ÷ 27,4 г) × 100 % ≃ 38,7 %.

Для NaHCO₃:
w(NaHCO₃) = (16,8 г ÷ 27,4 г) × 100 % ≃ 61,3 %.

Ответ: В образовавшемся растворе массовая доля Na₂CO₃ составляет приблизительно 38,7 %, а массовая доля NaHCO₃ – около 61,3 %.