Условие задачи
Через порцию 10%-го раствора гидроксида натрия массой 160 г пропустили углекислый газ объемом 6,72 л (н. у.). Вычислите массовые доли солей в образовавшемся растворе.
Решение
Нам дана следующая задача по химической стехиометрии (химия, аналитическая химия):
Дано: 160 г 10‑% раствора гидроксида натрия (NaOH) и объём углекислого газа (CO₂) 6,72 л при нормальных условиях (н. у.).
Необходимо найти массовые доли солей в образовавшемся растворе.
Нам известно, что при пропускании CO₂ через раствор NaOH происходит нейтрализация по схеме с последующим превращением:
1) Сначала CO₂ реагирует с NaOH по соотношению
NaOH + CO₂ → NaHCO₃
то есть образуется гидрокарбонат натрия (NaHCO₃);
2) Однако, если в растворе остаётся избыток основания, часть образованного NaHCO₃ превращается по реакции:
NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O
то есть получится карбонат натрия (Na₂CO₃).
Рассмотрим поэтапно:
──────────────────────────────
1. Определим исходное количество вещества NaOH.
Раствор 10 % означает, что в 160 г раствора содержится 10 % по массе NaOH, т.е.
m(NaOH) = 0,10 × 160 г = 16 г.
Молярная масса NaOH ≈ 40 г/моль, следовательно:
n(NaOH) = 16 г ÷ 40 г/моль = 0,4 моль.
──────────────────────────────
2. Определим количество CO₂.
При нормальных условиях молярный объём газа равен примерно 22,4 л/моль. Тогда:
n(CO₂) = 6,72 л ÷ 22,4 л/моль = 0,3 моль.
──────────────────────────────
3. Построим схему реакции.
При поступлении CO₂ в раствор NaOH сначала проходит реакция:
(1) NaOH + CO₂ → NaHCO₃
При полном протекании этой реакции 0,3 моль CO₂ потребовало бы 0,3 моль NaOH и дало 0,3 моль NaHCO₃. Однако у нас имеется 0,4 моль NaOH, т.е. избыток основания равный:
0,4 моль – 0,3 моль = 0,1 моль.
В оставшемся избытке NaOH будет происходить превращение части NaHCO₃ в Na₂CO₃ по реакции:
(2) NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O
Таким образом, из образовавшихся 0,3 моль NaHCO₃ ровно 0,1 моль прореагирует с избытком NaOH, превращаясь в карбонат натрия.
──────────────────────────────
4. Определим конечное количество солей.
Из реакции (2) каждый моль NaHCO₃, реагируя с 1 моль NaOH, даёт 1 моль Na₂CO₃. Таким образом:
Количество Na₂CO₃, образовавшегося в ходе (2), равно 0,1 моль.
Оставшаяся часть NaHCO₃ = 0,3 моль – 0,1 моль = 0,2 моль.
При этом весь избыток NaOH израсходован, и в растворе теперь содержатся только соли.
──────────────────────────────
5. Рассчитаем массы солей.
Рассчитаем молярные массы:
Na₂CO₃: 2×23 + 12 + 3×16 = 46 + 12 + 48 = 106 г/моль.
NaHCO₃: 23 + 1 + 12 + 3×16 = 23 + 1 + 12 + 48 = 84 г/моль.
Масса Na₂CO₃:
m(Na₂CO₃) = 0,1 моль × 106 г/моль = 10,6 г.
Масса NaHCO₃:
m(NaHCO₃) = 0,2 моль × 84 г/моль = 16,8 г.
Общая масса полученных солей:
m(соли) = 10,6 г + 16,8 г = 27,4 г.
──────────────────────────────
6. Найдём массовые доли каждой соли.
Массовая доля Na₂CO₃:
ω(Na₂CO₃) = (10,6 г ÷ 27,4 г) × 100 % ≈ 38,7 %.
Массовая доля NaHCO₃:
ω(NaHCO₃) = (16,8 г ÷ 27,4 г) × 100 % ≈ 61,3 %.
──────────────────────────────
Ответ:
В образовавшемся растворе массовые доли солей составляют примерно 38,7 % карбоната натрия (Na₂CO₃) и 61,3 % гидрокарбоната натрия (NaHCO₃).