Какие продукты реакции образуются если смесь равных количеств

Для успешного решения задач на смеси нужно понимать, что такое смесь.

Смесь — это система, состоящая из двух и более компонентов, взятых в произвольных количествах

И здесь, ключевой момент — произвольное соотношение компонентов. То есть, Вам предлагают смесь, в которой соотношение компонентов может меняться в широком диапазоне, и Ваша задача — определить это соотношение, на основании расчетов по уравнениям реакций.

В задачах ЕГЭ, как правило, смесь состоит только из двух компонентов, причем компоненты смеси не взаимодействуют между собой. И здесь возможны два варианта:

• только один компонент смеси взаимодействует с реагентом;
• оба компонента смеси взаимодействует с реагентом.

Возможны, также, задачи, в которых смесь состоит из трех и более компонентов, но их решение, как правило, основано на алгоритмах решения более простых задач — задач на смеси из двух компонентов.

Давайте рассмотрим решение задач на смеси, в которых только один компонент смеси взаимодействует с реагентом.

Условие задачи:

Смесь меди и цинка обработали избытком соляной кислоты. При этом выделилось 2,24 л (н.у.) водорода. Если эту же смесь обработать избытком разбавленной азотной кислоты, то выделится 8,96 л (н.у.) оксида азота (II). Рассчитайте массовую долю меди в исходной смеси.

Решение:

Другой тип задач — оба компонента смеси взаимодействуют с реагентом:

Условие задачи:

На хлорирование 18,4 г смеси железа и меди израсходовали 7,84 л (н.у.) хлора. Полученную смесь хлоридов растворили в воде. Определите, какой объем 40%-ного раствора гидроксида натрия (плотностью 1,43 г/мл) потребуется для полного осаждения гидроксидов металлов из образовавшегося раствора.

Решение:

В качестве дополнительной тренировки предлагаю Вам рассмотреть решение задач на смеси из трех компонентов:

Первая задача, в которой даны мольные соотношения компонентов.

Условие задачи:

Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов 3:2:5 (в порядке перечисления). Какой минимальный объем воды может вступить в химическое взаимодействие с такой смесью массой 55,2 г?

Решение:

Для решения этой задачи используем простой прием: находим массу смеси состоящей из 3 моль кальция, 2 моль оксида кальция и 5 моль карбида кальция (соотношение компонентов в условии задачи):

m(смесь) = 3*40 + 2*56+5*64 = 552 г.

Поскольку, масса смеси указанная в условии задачи (55,2 г), в 10 раз меньше рассчитанной нами, то количество моль компонентов также будет в 10 раз меньше: n(Ca) = 0,3 моль; n(CaО) = 0,2 моль; n(CaС2) = 0,5 моль.

Для нахождения массы воды запишем уравнения реакций:

2Н2О+ Са = Са(ОН)2 + Н2

Н2О+ СаО = Са(ОН)2

2Н2О+ СаС2 = Са(ОН)2 + С2Н2

Находим количество моль воды:

n(H2O) = 2n(Ca) + n(CaO) + 2n(CaC2) = 2*0,3+0,2+2*0,5 = 1,8 моль.

Масса воды: m(H2O) = 1,8*18 = 32,4 г.

Принимая плотность воды 1 г/мл, объем воды будет равен:

V(H2O) = 32,4 мл.

Как видите, только в том случае, если в задаче указано соотношение компонентов, мы можем его использовать для решения задачи.

Другой пример задачи на смесь, состоящую из трех компонентов:

13,8 г смеси, состоящей из кремния, алюминия и железа, обработали при нагревании избытком гидроксида натрия, при этом выделилось 11,2 л газа (н.у.). При действии на такую массу смеси избытка соляной кислоты выделяется 8,96 л газа (н.у.). Определите массы веществ в исходной смеси.

Решение:

Поскольку, в задаче не указаны количества кремния, алюминия и железа в смеси, обозначим количество моль этих компонентов через x, у и z соответственно.

А теперь запишем уравнения реакций.

С гидроксидом натрия реагируют только кремний и алюминий:

1) Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2

2) 2Al+ 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

При этом в обеих пробирках выделяется 11,2 л водорода или

n(H2) = 11,2/22,4 = 0,5 моль.

В первой реакции водорода образуется 2х моль, а во второй — 3/2у моль.

То есть: 2х + 3/2у = 0,5

С соляной кислотой реагируют только алюминий и железо:

3) 2Al+ 6НСl = AlCl3 + 3H2

4) Fe+ 2НСl = FeCl2 + H2

В результате этих двух реакций выделяется 8,96 л водорода или

n(H2)2 = 8,96/22,4 = 0,4 моль.

В третьей реакции выделилось 3/2у моль Н2, а в четвертой — z моль Н2.

То есть: 3/2у + z = 0,4

И еще можем составить одно уравнение исходя из массы смеси:

28х+27у+56z = 13,8.

В результате, получили систему из трех уравнений:

2х + 3/2у = 0,5

3/2у + z = 0,4

28х+27у+56z = 13,8.

решая эту систему получим:

х = 0,1; у = 0,2; z = 0,1.

Поскольку, x, у и z количества моль кремния, алюминия и железа соответственно, то массы компонентов смеси равны:

m(Si) = 0,1*28 = 2,8 г; m(Al) = 0,2*27 = 5,4 г; m(Fe) = 0,1*56 = 5,6 г.

Я привела, решение задач на смеси из трех компонентов, только для того, чтобы показать, что эти задачи можно решать привычными для Вас методами, основанными на решении более простых задач. В последней задаче трудность может возникнуть только при решении системы уравнений с тремя неизвестными. Но и тут можно поступить привычным способом, как при решении системы из двух уравнений, выражая одно неизвестное через два других.

А вот задачи для самостоятельного решения:

1. Смесь кремния и алюминия определённой массы обработали избытком соляной кислоты. При этом выделилось 0,448 л (н.у.) газа. Если эту же смесь обработать избытком раствора гидроксида калия, то выделится 0,672 л (н.у.) газа. Рассчитайте массовую долю кремния в исходной смеси. [56,25%].

2. Смесь безводных сульфата алюминия и сульфата меди(II) добавили к избытку разбавленного раствора гидроксида натрия. При этом образовалось 4,9 г осадка. Если эту же смесь добавить к раствору нитрата бария, то выделится 46,6 г осадка. Определите массовую долю сульфата алюминия в исходной смеси. [68,1%].

3. Смесь меди и оксида меди(II) может прореагировать с 243 г 10%-ного раствора бромоводородной кислоты, или с 28,8 г 85%-ного раствора серной кислоты. Определите массовую долю меди в смеси. [21%]

4. На сжигание 24 л (н.у.) смеси метана и этана затрачено 54 л (н.у.) кислорода. Определите объемные доли газов в исходной смеси. Какой минимальный объем 50%-ного раствора гидроксида натрия (плотностью 1,54 г/мл) необходим для поглощения образовавшегося углекислого газа? (25% СН4, 194,8 мл).

5. Сплав меди, железа и цинка массой 6 г (массы всех компонентов равны) поместили в 18,25% раствор соляной кислоты массой 160 г. Рассчитайте массовые доли веществ в получившемся растворе. [2,77%, 2,565%, 14,86%].

6. Железные, цинковые и алюминиевые опилки смешаны в мольном отношении 2:4:3 (в порядке перечисления). 4,53 г такой смеси обработали избытком хлора. Полученную смесь хлоридов растворили в 200 мл воды. Определить концентрации веществ в полученном растворе. [1,53%, 2,56%, 1,88%]

Успехов в решении задач на смеси!

Автор статьи — профессиональный репетитор О. В. Овчинникова.

Задачи на смеси и сплавы — очень частый вид задач на ЕГЭ по химии. Они требуют чёткого представления о том, какие из веществ вступают в предлагаемую в задаче реакцию, а какие нет.

О смеси мы говорим тогда, когда у нас есть не одно, а несколько веществ (компонентов), «ссыпанных» в одну емкость. Вещества эти не должны взаимодействовать друг с другом.

Типичные заблуждения и ошибки при решении задач на смеси.

1. Попытка записать оба вещества в одну реакцию.Вот одна из распространенных ошибок:
   «Смесь оксидов кальция и бария растворили в соляной кислоте…»Многие выпускники пишут уравнение реакции так:

   Это ошибка. Ведь в этой смеси могут быть любые количества каждого оксида!
   А в приведенном уравнении предполагается, что их равное количество.

2. Предположение, что их мольное соотношение соответствует коэффициентам в уравнениях реакций.Например:

   Количество цинка принимается за , а количество алюминия — за (в соответствии с коэффициентом в уравнении реакции). Это тоже неверно. Эти количества могут быть любыми и они никак между собой не связаны.

3. Попытки найти «количество вещества смеси», поделив её массу на сумму молярных масс компонентов.Это действие вообще никакого смысла не имеет. Каждая молярная масса может относиться только к отдельному веществу.

Часто в таких задачах используется реакция металлов с кислотами. Для решения таких задач надо точно знать, какие металлы с какими кислотами взаимодействуют, а какие — нет.

Необходимые теоретические сведения.

Способы выражения состава смесей.

• Массовая доля компонента в смеси— отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.

  где
  – «омега», массовая доля компонента в смеси,
  – масса компонента,
  – масса смеси

• Мольная доля компонента в смеси — отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества , и , то:

  где
  – «хи», мольная доля компонента в смеси,
  – число моль (количество вещества) компонента А

• Мольное соотношение компонентов.Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:

• Объёмная доля компонента в смеси (только для газов)— отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.

  где
  – «фи», объёмная доля компонента в смеси,
  – объём вещества А,
  – общий объём всей газовой смеси

Электрохимический ряд напряжений металлов.

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb  H  Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Реакции металлов с кислотами.

1. С минеральными кислотами, к которым относятся все растворимые кислоты (кроме азотной и концентрированной серной, взаимодействие которых с металлами происходит по-особому), реагируют только металлы, в электрохимическом ряду напряжений находящиеся до (левее) водорода.
2. При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, кобальт), проявляют минимальную из возможных степень окисления — обычно это .
3. Взаимодействие металлов с азотной кислотой приводит к образованию, вместо водорода, продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой — к выделению продуктов восстановления серы. Так как реально образуется смесь продуктов восстановления, часто в задаче есть прямое указание на конкретное вещество.

Продукты восстановления азотной кислоты.

Продукты восстановления серной кислоты.

Реакции металлов с водой и со щелочами.

1. В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы (), а также металлы IIA группы: . При этом образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить магний.
2. В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы: алюминий, цинк и олово. При этом образуются гидроксокомплексы и выделяется водород.

Внимание! Многие ошибки в решении задач ЕГЭ по химии связаны с тем, что школьники плохо владеют математикой. Специально для вас — материал о том, как решать задачи на проценты, сплавы и смеси.

Примеры решения задач.

Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:

Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.

Решение примера 1.

1. Находим количество водорода: моль.
2. По уравнению реакции:

   Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:

   г.

3. Теперь можно рассчитать массовые доли металлов в смеси:

Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за — число моль одного из металлов, а за — количество вещества второго.

Решение примера 2.

1. Находим количество водорода: моль.
2. Пусть количество алюминия — моль, а железа моль. Тогда можно выразить через и количество выделившегося водорода:
3. Нам известно общее количество водорода: моль. Значит, (это первое уравнение в системе).
4. Для смеси металлов нужно выразить массычерез количества веществ.Значит, масса алюминия

   масса железа

   а масса всей смеси

   (это второе уравнение в системе).

5. Итак, мы имеем систему из двух уравнений:

   Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:и вычитая первое уравнение из второго:

6. Дальше находим массы металлов и их массовые доли в смеси:

   соответственно,

Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н.у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.

В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г — это масса меди. Количества остальных двух металлов — цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.

Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.

Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в таких задачах — правильно определить, какой металл будет растворяться в ней, а какой не будет.

Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н.у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.

В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).

Со щелочью реагирует только алюминий — амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи — ещё можно растворить бериллий).

Решение примера 4.

1. С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа: моль

   (конц.)
   (не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)

   Так как мольное соотношение меди и сернистого газа , то меди тоже моль.
   Можно найти массу меди:

   г.

2. В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
3. Число моль водорода: моль,мольное соотношение алюминия и водорода и, следовательно,

   моль.

   Масса алюминия:

   г

4. Остаток — это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси: г.
5. Массовые доли металлов:

Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н.у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)

В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота — «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это — азот. Оба металла растворились в кислоте.

В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.

Решение примера 5.

1. Определяем количество вещества газа: моль.
2. Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной :

   Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит — кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке, и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.

3. Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс) и, для удобства расчетов, принимаем за — количество цинка, а за — количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится моль, а во второй — моль:
4. Тогда, учитывая, что масса смеси металлов г, их молярные массы — г/моль у цинка и г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

   – количество азота
   – масса смеси двух металлов

   Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.

   значит, моль

   значит, моль

   Проверим массу смеси:

   г.

5. Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
6. Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию: моль,

   т.е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:

   моль.

7. Итак, в итоговом растворесодержатся:

   нитрат цинка в количестве моль:

   г

   нитрат алюминия в количестве моль:

   г

   избыток азотной кислоты в количестве моль:

   г

8. Какова масса итогового раствора?Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):
   

   Масса нового раствора

   =

   Сумма масс смешиваемых растворов и/или веществ

   —

   Масса осадков

   —

   Масса газов

   Тогда для нашей задачи:

   = масса раствора кислоты + масса сплава металлов — масса азота

   г

   г

9. Теперь можно рассчитать массовые доли веществ в получившемся растворе:

Пример 6. При обработке г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось л газа (н.у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты — л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)

При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт , а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

Задачи для самостоятельного решения.