методические рекомендации по решению 34 задачи по химии
методическая разработка по химии (11 класс)

МБОУ «Сосново-Озерская СОШ №2»

Методические рекомендации

по решению 34 задачи по химии

Составил: учитель химии Дашадондокова А.Ц.

с. Сосново-Озерское, 2024 г

Содержание:

#1042;ведение

#1055;роверяемые элементы содержания

#1054;ценивание задания

4. Разбор разных типов задач, встречающихся в 34 задании

• на растворимость;
• на пластинку;
• на электролиз;
• на смеси;
• на неполное разложение;
• на кислые соли;
• на кристаллогидрат;
• на атомистику

5. На что обратить внимание при решении 34 задания:

6. Заключение

1. Введение

В данных методических рекомендациях разберем основные моменты, которые нужно знать и на которые нужно обращать внимание при решении самого сложного задании ЕГЭ по химии – 34 задаче.

Методические рекомендации предназначены для учащихся 10-11 классов, которые выбрали предмет «Химия» для ЕГЭ. Правильно выполненное 34 задание дает выпускнику 4 балла. Выполнить такое задание выпускник должен решить в среднем за 20-25 минут.

Задания 34 – это расчетные задачи. Их выполнение требует знания химических свойств веществ и предполагает осуществлять действия, обеспечивающие получение правильного ответа. В числе таких действий назовем следующие:

- составление уравнений химических реакций (согласно данным условия задачи), необходимых для выполнения стехиометрических расчетов;

– выполнение расчетов, необходимых для нахождения ответов на поставленные в условии задачи вопросы:

- «расчеты с использованием понятий «растворимость», «массовая доля вещества в растворе»;

- расчеты массы (объема, количества вещества) продуктов реакции, если одно из веществ дано в избытке (имеет примеси),

- расчеты массы (объема, количества вещества) продукта реакции, если одно из веществ дано в виде раствора с определенной массовой долей растворенного вещества,

- расчеты массовой или объемной доли выхода продукта реакции от теоретически возможного, расчеты массовой доли (массы) химического соединения в смеси».

При этом выпускник должен учитывать, что продукты реакции могут покидать сферу реакции в виде осадка или газа, чтобы правильно рассчитать массу конечного раствора. Задачи, решенные в данных методических разработка, помогут выпускникам понять логические приемы при решении задач и быстрее выполнить подобное задание на ЕГЭ. Данный материал помогает выпускникам освоить некоторые типы задач повышенного уровня сложности.

#1055;роверяемые элементы содержания

(Спецификация контрольных измерительных материалов для проведения в 2024 году единого государственного экзамена по ХИМИИ)

1. Расчёты массы (объёма, количества вещества) продуктов реакции, если одно из веществ дано в избытке (имеет примеси)

2. Расчёты массы (объёма, количества вещества) продукта реакции, если одно из веществ дано в виде раствора с определённой массовой долей растворённого вещества.

3. Расчёты с использованием понятий «массовая доля», «молярная концентрация», «растворимость»

(Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по ХИМИИ)

Сформированность умений проводить расчёты по химическим формулам и уравнениям химических реакций с использованием физических величин:

1. массы (объёма, количества вещества) продукта реакции, если одно из исходных веществ дано в виде раствора с определённой массовой долей растворённого вещества или дано в избытке (имеет примеси)

2. массовой или объёмной доли, выхода продукта реакции

3. теплового эффекта реакций

4. объемных отношений газов

3. Оценивание задания

Из рекомендаций ФИПИ для членов предметных комиссий:

«… Максимальная оценка за выполнение задания составляет 4 балла. При проверке следует в первую очередь обращать внимание на логическую обоснованность выполненных действий, поскольку некоторые задачи могут быть решены несколькими способами. Вместе с тем в целях объективной оценки предложенного способа решения задачи необходимо проверять правильность промежуточных результатов, которые использовались для получения ответа».

Самое сложное – это составить план решения задачи, понять логику задачи, построить верный ход решения и только потом применить нужные формулы.

За полностью верное решение задачи можно получить 4 первичных балла. Правильный и полный ответ должен содержать следующие элементы, каждый из которых оценивается в 1 первичный балл:

Ответ правильный и полный, содержит следующие элементы:

• правильно записаны уравнения реакций, соответствующих условию задания;

• правильно произведены вычисления, в которых используются необходимые физические величины, заданные в условии задания;

• продемонстрирована логически обоснованная взаимосвязь физических величин, на основании которой проводятся расчёты;

• в соответствии с условием задания определена искомая физическая величина

Правильно записаны три элемента ответа - 3 балла

Правильно записаны два элемента ответа – 2 балла

Правильно записаны один элемента ответа – 1 балл

Все элементы ответа записаны неверно – 0 баллов

Поэтому на экзамене, даже если не удается решить задачу полностью, стоит попытаться хотя бы составить уравнения реакций и найти количества вещества реагентов. Уже это может принести несколько баллов в общую копилку.

Отношения молей реагирующих веществ и продуктов следует включать в ход решения задачи, даже если они кажутся очевидными и понятными просто по уравнению реакции. За это эксперт может также добавить дополнительный балл, даже если задача не решена полностью.

Правильному проведению комбинированных расчетов по химическим уравнениям в задании 34 способствует химическая эрудиция, основанная на наличии у обучающихся навыков реального химического эксперимента, и умение использовать для расчетов понятия «количества вещества» атомов и молекул простых и сложных химических веществ.

4. На что обратить внимание при решении 34 задания:

А) на формулы

Основой успеха решения любой расчетной задачи является тщательный анализ физических величин, о которых идет речь в условии задачи и того, какие формулы и реакции связывают эти величины.

Для решения расчетных задач по химии понадобятся следующие физические величины и формулы для их вычисления

Массовая доля — это то, без чего не обходится любая 34 задача.

Раствор ― однородная система, состоящая из растворенного вещества и воды.

Масса раствора всегда складывается из массы растворенного вещества и воды:

m(р-ра) = m(в-ва) + m(H2O)

Но условии задачи может быть приведена не масса раствора, а объем. Тогда для вычисления массы раствора используем формулу:

m (р-ра) = V (р-ра) ∙ ρ (р-ра)

Надо запомнить плотность воды ρ(H2O) = 1 г/мл или 1 кг/л. Массовая доля вещества в растворе вычисляется по формуле:

𝑚(в−ва)

𝜔(в−ва) = 𝑚

(смеси)

Лучше всего еще в «дано» перевести % в доли, для чего нужно ω разделить на 100%.

Смеси бывают не только жидкие (растворы), но и твердые (сухие смеси). Например, смесь карбоната кальция CaCO3 и оксида магния MgO.

Для них нужно использовать формулу расчета массовой доли:

𝑚(в−ва)

𝜔(в−ва) = 𝑚

(смеси)

Все другие величины вы можете легко выразить из основных формул, просто раскрыв пропорцию крест-накрест.

Б) порядок решения большинства задач предполагает следующую последовательность действий:

1) по формуле находим количество вещества реагента, масса или объем которого известны, все, что есть в «дано» нужно обязательно использовать.

2) по уравнению реакции определяем количество вещества того реагента, массу или объем которого надо найти. Составляем пропорцию и раскрываем. Количества вещества соотносятся также, как и коэффициенты в реакции. От известного вещества всегда переходим к неизвестному по уравнению реакции.

3) находим то, что спрашивали: m или V, а потом массу раствора или смеси и в итоге массовые доли.

Однако чёткого алгоритма решения 34 задания не существует, т.к. все задачи имеют свои особенности решения.

В) на распространенные ошибки

Нужно запомнить, что если у вас выделяется газ или осадок, то ваша смесь или раствор уменьшается на массу выделившегося газа или осадка. Не забывайте это учитывать при решении 34 задачи.

Если вы пропускаете через раствор какой-то газ или добавляете что-то такое, что реагирует с раствором, то масса раствора увеличивается на эти массы.

Типичной ошибкой является то, что массу конечного раствора пытаются вычислить, сложив массы всех растворенных веществ. Это не всегда правильно и нужно. Очень часто нужно просто сложить массы растворов. Помните, что выпадающий осадок и выделяющийся газ уменьшают массу раствора!

Самые популярные реакции в 34 задачи — это реакции разложения.

Разложение может быть, например, карбонатов и гидрокарбонатов. Обязательно помните, что растворимые карбонаты не разлагаются! Нерастворимые разлагаются на два оксида.

CaCO3 = (t°) CaO + CO2

MgCO3 = (t°) MgO + CO2

Гидрокарбонаты (кислые соли) разлагаются на то, что их когда-то образовало (на среднюю соль и кислотный оксид):

NaHCO3 = (t°) Na2CO3 + CO2 + H2O

Сa(HCO3)2 = (t°) CaCO3 + CO2 + H2O

Будьте внимательны в уравнениях реакций: меди с азотной кислотой, хлора со щелочью, разложения нитратов, хлоратов. В прошлом году многие потеряли баллы из-за реакции электролиза растворов солей.

Внимательно пишите «дано». Самая часта ошибка — когда массу раствора путают с массой растворенного вещества или объем раствора — с объемом чистого вещества.

Например: определите массовые доли (в %) сульфата железа (II) и сульфида алюминия в смеси, если при обработке 25 г этой смеси водой выделился газ, который полностью прореагировал с 960 г 5%-го раствора сульфата меди.

960 г ― масса раствора, а не масса чистого CuSO4. Нельзя разделить 960 г на молярную массу CuSO4 160 г/моль и получить количество вещества CuSO4, нужно сначала найти массу CuSO4 по формуле: m (в-ва) = m (р-ра) ∙ ω (в-ва)

Встречаются ошибки и в расчетах по уравнениям реакций, в анализе избытка- недостатка реагента. Всегда проверяйте себя по уравнению реакции, рассуждайте.

Ни в коем случае не делите объём раствора на молярный объем

Vm = л/моль! Молярный объем можно использовать только для газов.

В последние годы в условие добавлено требование: «указывайте единицы измерения искомых физических величин». Что оно означает?

Обязательно нужно указывать единицы измерения при расчете, не только в результате, но и в исходных формулах.

Для лучшего понимания задачи ее можно «нарисовать». Рисуйте схемы того, что и куда вы добавляете. Это поможет не ошибиться с составом и массой конечного раствора.

От вас не требуют писать «дано» задачи в бланк, но я советую его написать для себя на черновике. Так все значения будут в одном месте перед вашими глазами, и будет проще и понятнее как их всех связать.

5. Типы 34 задач:

Задачи можно разделить на несколько типов. Но это деление слишком условно, т.к. задача обычно комбинированная и содержит элементы нескольких типов:

#1085;а атомистику;

#1085;а растворимость;

#1085;а пластинку;

#1085;а электролиз;

#1085;а смеси;

#1085;а неполное разложение;

1 . Задачи на атомистику – это задачи на соотношения частиц (атомов, молекул, ионов и т.д.) в гомогенных и гетерогенных системах (растворах, твердых и газообразных смесях). Это могут быть массовые соотношения (например, массовая доля элемента в смеси), мольные соотношения (например, соотношение числа атомов водорода и кислорода или мольная доля), объемные соотношения (объемная доля и др.).

Важно помнить:

1 моль любого вещества содержит 6,02 • 1023 частиц этого вещества;

1 моль кислорода содержит 6,02 • 1023 молекул O2 и 2 ∙ 6,02 ∙ 1023 = 12,04 ∙1023 атомов кислорода;

1 моль серной кислоты содержит 6,02 • 1023 молекул H2SO4;

1 моль железа содержит 6,02 • 1023 атомов Fe;

1 моль серы содержит 6,02 • 1023 атомов S;

2 моль серы содержит 12,04 • 1023 атомов S;

0,5 моль серы содержит 3,01 • 1023 атомов S.

Массовая доля растворенного вещества – это величина, равная отношению массы растворенного вещества к массе раствора:

w(в−ва)=m(в−ва)/m(р−ра)

Формула для вычисления массовой доли в процентах:

w(в−ва)=m(в−ва)m(р−ра)⋅100%

Из формулы следует:

m(в−ва)=w(в−ва)⋅m(р−ра) m(р−ра)=m(в−ва)/w(в−ва)

Для решения задач на атомистику используются знакомые всем, изучающим химию, понятия. Во-первых, понятие массовой доли. Во-вторых, умение выражать число атомов через число молекул или других структурных единиц.

Например, в молекуле оксида серы SO3 на 1 молекулу приходится один атом серы и три атома кислорода:

1 молекула SO3 – 1 атом серы, 3 атома кислорода

Несложно пропорцией определить, что на две молекулы оксида серы будет приходиться два атома серы и шесть атомов кислорода:

2 молекулы SO3 – 2 атома S, 6 атомов О

То есть индексы в формуле вещества показывают не только, как соотносится количество атомов между собой, но и какое число атомов приходится на 1 молекулу или другую структурную единицу вещества.

Если так соотносится число атомов и молекул, то также будет соотноситься и количество вещества атомов и молекул, выраженное в молях. Потому что 1 моль – это не что иное, как порция, состоящая из одинакового числа данных частиц. То есть на х моль оксида серы приходится:

х моль SO3 – х моль атомов S, 3х моль атомов О. Получается, в молекуле число атомов всегда больше или равно

Железную пластину полностью растворили в 500 г раствора азотной кислоты. При этом выделилась смесь оксида азота (II) и оксида азота (IV) общим объемом 20,16 л. Соотношение атомов кислорода к атомам азота в этой газовой смеси соответственно равно 5:3. Вычислите массовую долю соли в полученном растворе.

Решение.

1. Записываем уравнения химических реакций взаимодействия железа с азотной кислотой:

Fe+4HNO3 →Fe(NO3) )3 +NO+2H2 O Fe+6HNO3 →Fe(NO3) )3 +3NO2 +3H2 O

Нужно найти массовую долю Fe(NO3))3 в растворе, который складывается из смешанных веществ с учетом газообразных, которые выделились из раствора.

2. Пусть: ⱱ NO = x моль, тогда: ⱱ N = x моль и ⱱ O =x моль. ⱱ NO2 = y моль, тогда: ⱱ N = y моль и ⱱ O = 2y моль.

Тогда весь кислород в смеси газов это: x+2y, а весь азот это: x+y. Составляем первое уравнение, зная, что соотношение атомов кислорода к атомам азота в этой газовой смеси соответственно равно 5:3, x+2y/x+y = 5/3.

Для второго уравнения находим ⱱ смеси газов:

20,16 / 22,4 = 0,9 моль . x+y = 0,9

Составляем систему уравнений:

x + 2y / x + y = 5/3 x + y = 0,9 Решаем систему уравнений и находим:

2x = y x = 0,3

Подставляем в первое уравнение и находим y = 0,6 моль.

3. Возвращаемся к уравнениям реакций, ведем расчет NO, так как X= 0,3 моль, это количество вещества NO. Значит, и соли 0,3 моль. Это в первом уравнении. Во втором уравнении ⱱ NO2 = 0,6 моль, значит, Fe(NO3) )3 0,6/3 = 0,2 моль.

4. Находим массу соли:

Fe(NO3) )3, m = (0,3 +0,2)∙MFe(NO3) )3 = 0,5 ∙ 242 = 121 г.

5. Находим массу раствора. Он будет состоять из железа, раствора азотной кислоты, и из раствора выделяются газообразные NO и NO2. Количество вещества железа находим через количество вещества NO и NO2. В первом уравнении железа будет 0,3 моль, во втором 0,2 моль. Всего 0,5 моль.

Находим массу железа:

mFe = 0,5 моль ∙ 56 г/моль = 28 г, mNO = 0,3 моль ∙MNO = 0,3 ∙ 30 = 9 г,

mNO2 = 0,6 моль ∙ MNO2 = 0,6 ∙ 46 = 27,6 г

Итак, масса раствора равна:

m р-ра = 28 +500 - 9 - 27,6 = 491,4 г.

6. Находим массовую долю соли в растворе:

wFe(NO3) )3 = 121/491,4∙ 100% = 24,6%

2. Задачи на растворимость

Растворимость вещества X (s) – это масса вещества, которая может раствориться при данных условиях в 100г растворителя с образованием насыщенного раствора:

S = m (x) / m (H 2 O) × 100 (г).

Массовая доля безводного вещества Х в насыщенном растворе связана с его растворимостью соотношением: W (X) = s / s +100.

1. Растворимость безводного карбоната натрия при некоторой температуре составляет 31,8 г на 100 г воды. При этой температуре приготовили насыщенный раствор, добавив необходимое количество карбоната натрия к 400 мл воды. Раствор разлили в две колбы. К раствору в первой колбе добавили избыток раствора сульфата железа(III). К раствору во второй колбе добавили 300 г раствора азотной кислоты, также взятой в избытке. При этом, объѐм газа, выделившийся из второй колбы, оказался в 2 раза больше объѐма газа, выделившегося из первой колбы. (Объѐмы газов измерены при одинаковых условиях). Определите массовую долю нитрата натрия в конечном растворе во второй колбе.

Решение:

1. Определяем массу карбоната натрия, который растворится в 400 мл воды: На 100 г воды приходится 31,8 г соли (по условию) на 400 г воды будет приходиться х г соли (в реальном растворе) Определяем х из пропорции:

х = 400 г · 31,8 г/100 г = 127,2 г нитрата натрия. n(Na2CO3) = m(Na2CO3)/M = 127,2 г/106 г/моль = 1,2 моль

Массовая доля карбоната натрия в этом растворе:

ω(Na2CO3) = m(Na2CO3)/mр-ра = 127,2 г/(127,2 г + 400 г) = 0,2413 или 24,13%

Далее раствор карбоната натрия разделили на две порции. Как решать задачи с порциями (частями)? Очень просто. Во всем исходном растворе и в порциях (частях), которые мы отделили от основного раствора, кое-что не меняется. Давайте порассуждаем, что именно.

Меняется ли масса раствора? Без сомнения, мы же разделяем раствор на части.

Меняется ли масса растворенного вещества? Также без сомнения — часть вещества попадет в одну порцию, часть в другую.

А меняется ли массовая доля растворенного вещества? Или соотношение массы растворенного вещества и воды, или другое соотношение? Конечно, не изменяется, ведь раствор — это гомогенная система, в которой вещество распределено равномерно.

2. В первой колбе протекает реакция:

3Na2CO3 + Fe2(SO4)3 + 3H2O = 2Fe(OH)3 + 3CO2 + 3Na2SO4

Это типичный пример реакции необратимого гидролиза. Во второй колбе протекает реакция: Na2CO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + CO2 + H2O

Пусть в первой колбе выделилось х моль углекислого газа. Количество вещества газов соотносится также, как объемы газов. Поэтому можно сказать, что во второй колбе выделится 2х моль углекислого газа.

Получается, что в первой колбе в реакцию вступает х моль карбоната натрия, а во второй колбе 2х моль карбоната натрия. Общее количество вещества карбоната натрия известно, получаем уравнение:

х + 2х = 1,2

Отсюда х = 0,4 моль.

#1042;о второй колбе количество и масса карбоната натрия:

n2(Na2CO3) = 2х = 0,8 моль

m2(Na2CO3) = n2(Na2CO3)·M = 0,8 моль·106 г/моль = 84,8 г

Масса раствора карбоната во второй колбе (массовая доля соли в исходном растворе и в двух колбах не изменяется):

mр-ра,2(Na2CO3) = m2(Na2CO3)/ω = 84,8 г / 0,2413 = 351,47 г

Масса углекислого газа, который выделился во второй реакции:

m2(CO2) = n2(CO2)·M(СО2) = 0,8 моль·44 г/моль = 35,2 г

Масса нитрата натрия во второй колбе:

m2(NaNO3) = n2(NaNO3)·M(NaNO3) = 1,6 моль·85 г/моль = 136 г

Масса конечного раствора во второй колбе:

mр-ра,2 = mр-ра,2(Na2CO3) + mр-ра(HNO3) — m(CO2) = 351,47 г + 300 г — 35,2 г = 616,27 г

Массовая доля нитрата натрия в конечно растворе во второй колбе:

ω2(NaNO3) = m2(NaNO3)/mр-ра,2 = 136 г/616,27 г = 0,2207 или 22,07% Ответ: ω(NaNO3) = 22,07%

2. Задачи на пластинку

Если в раствор соли металла поместить кусочек (пластинку) из другого металла, возможно протекание химической реакции. Но добавляемый металл должен быть более активным, чем металл в составе соли. При этом добавляемый металл не должен реагировать с водой! Более активный металл расположен левее в электрохимическом ряду.

Например, сульфат меди реагирует с железом: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

При этом железо не реагирует с сульфатом цинка:

ZnSO4 + Fe ≠

Основа решения задач «на пластинку» – материальный баланс. Но составляется он не только для раствора, но и для самой пластинки. Если мы помещаем в раствор соли металла А пластинку из металла В, и металл В вытесняет металл А из соли, то с пластинки уходит часть металла В. При этом на пластику осаждается вытесненный металл А:

АХ + В = ВХ + А↓

Примерная суть материального баланса для пластинки:

Начальная масса пластинки — масса прореагировавшего металла В + масса образовавшегося металла А = конечная масса пластинки.

Например, для реакции сульфата меди с железом:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu↓

Обратите внимание! В задачах на пластинки чаще всего добавляемый металл вступает в реакцию только частично. Вступает в реакцию некоторая его часть.

Иногда используется сокращенная форма материального баланса:

Масса образовавшегося металла А — масса прореагировавшего металла В = изменение массы пластинки

1. Медную пластинку массой 50,00 г поместили в раствор хлорида ртути(II). Масса пластинки после реакции оказалась равной 52,74 г. Сколько меди растворилось?

Решение:

1. Записываем уравнение реакции:

Cu + HgCl2 → Hg + CuCl2

2. Находим количество меди в пластинке:

ν(Сu) = m(Cu)/M(Cu) = 50,00 г/ 64 г/моль = 0,78 моль

3. Из условия задачи мы понимаем, что медь вступила в реакцию не полностью, а частично. Обозначим количество прореагировавшей меди, как х моль: ν(Сu) = x моль, а масса прореагировавшей меди равна 64х г:

m(Cu)прореаг = ν(Сu)·M(Cu) = х моль · 64 г/моль = 64х г.

Тогда количество образовавшейся ртути также будет равно х моль.

ν(Hg) = x моль.

А масса образовавшейся ртути равна:

m(Hg) = ν(Hg)·M(Hg) = х моль · 201 г/моль = 201х г. Записываем уравнение материального баланса для пластинки: mпластинки исх. – m(Cu)прореаг. + m(Hg) = mпластинки конечн.

Составляем уравнение:

50 – 64х + 201х = 52,74

Решаем его, находим х:

137х = 2,74,

х = 0,02 моль

4. Следовательно, масса прореагировавшей меди равна:

m(Cu)прореаг = ν(Сu)·M(Cu) = 0,02 моль · 64 г/моль = 1,28 г. Ответ: масса растворившейся меди равна 1,28 г.

2. Пластинку из магния массой 14,4 г поместили в 8%-ный раствор хлорида марганца объемом 145,83 мл и плотностью 1,08 г/мл. После окончания реакции пластинку вынули и просушили. Вычислите массу 15%-го раствора соляной кислоты, которая потребуется для полного растворения полученной пластинки.

Решение :

#1040;нализируем условие: «после окончания реакции пластинку вынули и просушили». Это означает, что магний прореагировал не весь, марганец налип на пластинку, а с соляной кислотой реагируют оба этих металла.

Mg + MnCl2 = MgCl2 + Mn Mg + 2HCl = MgCl2 + H2 Mn + 2HCl = MnCl2 + H2

#1042;ычислим количества веществ:

mр(MnCl2) = 145,83 · 1,08 = 157,5 г

m(MnCl2) = 157,5 · 0,08 = 12,6 г

n(MnCl2) = 12,6 : 126 = 0,1 моль

n(Mgисх) = 14,4 : 24 = 0,6 моль

#1061;лорид марганца прореагировал полностью. Исходя из этого, вычислим количества металлов, оставшихся на пластинке, и массу раствора соляной кислоты.

n(Mn) = n(MnCl2) = 0,1 моль n(Mgпрореаг.) = n(MnCl2) = 0,1 моль

n(Mgост.) = n(Mgисх) – n(Mgпрореаг.) = 0,6 – 0,1 = 0,5 моль

n(HCl) = 2n(Mgост.) + 2n(Mn) = 2 · 0,5 + 2 · 0,1 = 1,2 моль m(HCl) = 1,2 · 36,5 = 43,8 г

m(HClр-ра) = 43,8 : 0,15 = 292 г

Ответ: 292г.

#1047;адачи на электролиз

При электролизе расплавов или водных растворов солей протекают окислительно- восстановительные реакции на электродах (аноде и катоде). В статье рассмотрены расчетные задачи, в которых основной химической реакцией является электролиз — основные приемы и типы решения таких задач.

Какие именно процессы протекают при электролизе и как составлять уравнения химических реакций, протекающих при электролизе, вы можете узнать из статьи.

При решении задач на электролиз необходимо учитывать, что растворенное вещество может подвергнуться электролизу не полностью. Если вещество полностью разложилось под действием тока, далее может протекать электролиз воды по уравнению: и2H2O → O2 + 2H2

При действии тока на растворы некоторых веществ (например, соли активных металлов и кислородсодержащих кислот, щелочи, кислородсодержащие кислоты) количество этих веществ фактически не меняется, т.к. протекающие на катоде и аноде процессы приводят к электролизу воды.

#1063;ерез 640 г 15%-ного раствора сульфата меди(II) пропускали электрический ток до тех пор, пока на аноде не выделилось 11,2 л (н.у.) газа. К образовавшемуся растворудобавили 665,6 г 25%-ного раствора хлорида бария. Определите массовую долю хлорида бария в полученном растворе. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).

Решение:

Уравнения реакций:

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu↓ + 2H2SO4 + O2↑ (электролиз) 2H2O = 2H2↑ + O2↑ (электролиз)

BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl

Количество вещества реагентов и масса продуктов реакций:

m(CuSO4) = 640 · 0,15 = 96 г n(CuSO4 ) = 96 / 160 = 0,6 моль

n(O2) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль

n(Cu) = n(CuSO4) = 0,6 моль m(Cu) = 0,6 · 64 = 38,4 г n(H2SO4) = n(CuSO4 ) = 0,6 моль

n(O2 [1]) = 0,5n(CuSO4) = 0,3 моль

n(O2 [2]) = 0,5 – 0,3 = 0,2 моль

n(H2O прореаг.) = 2n(O2 [2]) = 0,4 моль

m(H2O прореаг.) = 0,4 · 18 = 7,2 г

m(O2 [1]) = 32 · 0,3 = 9,6 г

m(BaCl2) = 665,6 · 0,25 = 166,4 г

n(BaCl2) = 166,4 / 208 = 0,8 моль n(BaCl2 прореаг.) = n(H2SO4) = 0,6 моль n(BaCl2 осталось) = 0,8 – 0,6 = 0,2 моль

m(BaCl2 осталось) = 0,2 · 208 = 41,6 г n(BaSO4) = n(BaCl2 прореаг.) = 0,6 моль m(BaSO4) = 0,6 · 233 = 139,8 г

Массовая доля хлорида бария в растворе:

m(р-ра) = 640 + 665,6 – 38,4 – 7,2 – 139,8 – 9,6 = 1110,6 г

ω(BaCl2) = 41,6 / 1110,6 = 0,037, или 3,7 %

Ответ: ω(BaCl2) = 3,7 %

5. Задачи на смеси . Смеси – это сложные системы, состоящие из двух или более веществ. Состав смесей выражают разными способами, наиболее часто встречающейся в задачах величиной является массовая доля вещества.

Массовая доля вещества в смеси – это отношение массы вещества к массе всей смеси: ω( в-ва)= m(в-ва) / m(смеси)

выражается она в долях от единицы или процентах.

Задачи на смеси очень разнообразны, способы их решения –тоже. Главное при решении – правильно составить уравнения. реакций, а для этого нужно иметь

прочные знания о химических свойствах веществ. Напомним основные моменты.

Взаимодействие металлов с кислотами

С растворимыми минеральными кислотами (кроме азотной и концентрированной серной) реагируют только металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений левее водорода. При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, никель), проявляют минимальную из возможных степень окисления – обычно это

+2.

• Взаимодействие металлов (в том числе и тех, которые находятся в электрохимическом ряду правее водорода) с азотной кислотой приводит к образованию продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой – к выделению продуктов восстановления серы. Поскольку в реальности образуется смесь продуктов восстановления, в задаче часто есть прямое указание на получающееся вещество.
• С холодными (без нагревания) концентрированными азотной и серной кислотами не реагируютAl, Cr, Fe. При нагревании реакция протекает и образуются соли этих металлов

в степениокисления +3. Не реагируют с данными кислотами ни при какой концентрации Au и Pt.

Взаимодействие металлов с водой и щелочами

• В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы – Li, Na, K,

Rb, Cs, а также металлы IIа группы – Са, Sr, Ba. Образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить Mg.

• В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы –алюминий, цинк, бериллий, олово. При этом образуются гидроксо-комплексы и выделяется водород,

например:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑, Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑.

Тип 1 нерастворимость отдельных компонентов

Задача. Смесь алюминия и железа обработали избытком соляной кислоты, при этом выделилось 8,96 л газа (н.у.). Это же количество смеси обработали избытком раствора гидроксида натрия, выделилось 6,72 л газа (н.у.). Найти массовую долю железа в исходной смеси.

Решение:

1. Составим уравнения реакций взаимодействия металлов с

кислотой и щелочью, при этом нужно учесть, что железо не реагирует с раствором щелочи:

+ 6HCl = 2AlCl3+ 3H2 ↑ (1)

2моль 3моль

+ 2HCl = FeCl2 +H2↑ (2)

1моль 1моль

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

2моль 3моль

2. Поскольку со щелочью реагирует только алюминий, то можно найти его количество вещества:

ν(Н2) = V/VM= 6,72 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,3 моль, следовательно, n(Al) = 0,2 моль.

3. Поскольку для обеих реакций были взяты одинаковые количества смеси, то в реакцию с соляной кислотой вступило такое же количество алюминия, как и в реакцию со щелочью, – 0,2 моль.

По уравнению (1) находим: ν(Н2) = 0,3 моль.

4. Найдем количество вещества водорода, выделившегося в результате реакции металлов с кислотой:

νобщ(Н2) = V / VМ= 8,96 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,4 моль.

5. Найдем количество вещества водорода, выделившегося при взаимодействии железа с кислотой, и затем количество вещества железа:

n(Н2) = nобщ(Н2) – n(Н2) = 0,4 – 0,3 = 0,1 моль,

n(Fe) = 0,1 моль.

6. Найдем массы Al, Fe, массу смеси и массовую долю железа в смеси:

m(Al) = 27 (г/моль) * 0,2 (моль) = 5,4 г, m(Fe) = 56 (г/моль) * 0,1 (моль) = 5,6 г, mсмеси(Al, Fe) = 5,4 + 5,6 = 11 г,

ω(Fe) = mв-ва / mсм = 5,6 / 11 = 0,5091 (50,91 %).

Ответ. ω(Fe) = 50,91 %.

Тип2 Параллельные реакции. Речь идет об одновременно происходящих реакциях, с реагентом (реагентами) взаимодействуют все компоненты смеси. Для определения порций отдельных компонентов придется использовать алгебраический алгоритм. Поскольку в дальнейшем предстоят расчеты по уравнениям реакций, в качестве неизвестной величины лучше всего выбрать количество вещества.

Алгоритм 1. Решение через систему уравнений с двумя неизвестными

(подходит для любой задачи такого типа)

1. Составить уравнения реакций.
2. Количества веществ (n) в исходной смеси обозначить через х, у моль и, согласно молярным соотношениям по уравнениям реакций, выразить через х, у моль количества веществ вобразовавшейся смеси.
3. Составить математические уравнения. Для этого следует выразить массу (или объем) веществ через х, у и молярную массу (молярный объем) по формулам: m = ν*M; V = ν*VМ.
4. Составить систему уравнений и решить ее.
5. Далее решать согласно условиям задачи

Задача 1. Пластинку из магниево-алюминиевого сплава массой 3,9 г поместили в раствор соляной кислоты. Пластинка растворилась, и выделилось 4,48 л газа. Найти массовые доли металлов в сплаве.

Решение:

1. Запишем уравнения реакции:

1. Mg + 2HCl = MgCl2 +H2↑

1моль 1моль

3. 2Al+ 6HCl = 2AlCl3 +3H2↑

2моль 3моль

2. Обозначим количества веществ: n(Mg) = x моль; n(Н2) = х моль;

n(Al) = y моль; n(Н2) = 1,5 у моль.

3. Составим математические уравнения: найдем массы магния, алюминия и их смеси, а также количество вещества выделившегося водорода:

m(Mg) = 24x,

m(Al) = 27y,

m(смеси) = 24х + 27y;

n(Н2) = V/VM= 4,48 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль.

4. Составим систему уравнений и решим ее:

24x+ 27y=3,9

x +1,5y = 0, 2 .

х = 0,2 – 1,5у,

24(0,2 – 1,5у) + 27у = 3,9,

у = 0,1;

х = 0,2 – 1,5*0,1 = 0,05.

5. Найдем массы магния и алюминия и их массовые доли в смеси:

m(Mg) = 0,05 (моль) * 24 (г /моль) = 1,2 г,

m(Al) = 0,1 (моль) * 27 (г /моль) = 2,7 г,

ω(Mg) = m(Mg) / m(см.) = 1,2 (г) / 3,9 (г) = 0,3077,

ω(Al) = m(Al) / m(см.) = 2,7 / 3,9 = 0,6923.

Ответ. ω(Mg) = 30,77 %; ω(Al) = 69,23 %.

6. Задачи на неполное разложение

При нагревании образца гидрокарбоната натрия часть вещества разложилась. При этом образовалось 63,2 г твёрдого безводного остатка, в котором массовая доля атомов углерода в 16,8 раз больше массовой доли атомов водорода. К полученному остатку добавили минимальный объём 20%-ного раствора соляной кислоты, необходимый для полного выделения углекислого газа. Определите массовую долю хлорида натрия в конечном растворе.

Решение

[1] 2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

[2] NaHCO₃ + HCl = NaCl + CO₂ + H₂O

[3] Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂ + H₂O

Пусть n(ост. NaHCO₃) = x моль, n(Na₂CO₃) = y моль

m(ост. NaHCO₃) = n · M = 84x г

m(Na₂CO₃) = n · M = 106y г

m(смеси) = m(ост. NaHCO₃) + m(Na₂CO₃) = 84x + 106y = 63,2 г

ω(C) = m(C)/m(смеси)

ω(H) = m(H)/m(смеси)

ω(C)/ω(H) = (m(C) · m(смеси))/(m(H) · m(смеси)) = m(C)/(m(H)

n₁(C) = n(ост. NaHCO₃) = x моль

n₂(C) = n(Na₂CO₃) = y моль

n(C) = n₁(C) + n₂(C) = (x + y) моль

m(C) = n · M = (x + y) · 12 = (12x + 12y) г

n(H) = n(ост. NaHCO₃) = x моль

m(C) = n · M = x · 1 = x г

m(C)/(m(H) = (12x + 12y)/x = 16,8

12x + 12y = 16,8x

12y = 4,8x

x = 2,5y

84x + 106y = 84 · 2,5y + 106y = 63,2

210y + 106y = 63,2

316y = 63,2

y = 0,2

x = 0,5

n(ост. NaHCO₃) = 0,5 моль, n(Na₂CO₃) = 0,2 моль

n₂(HCl) = n₂(NaCl) = n₂(CO₂) = n(ост. NaHCO₃) = 0,5 моль – по уравнению реакции [2]

n₃(HCl) = n₃(NaCl) = 2n(Na₂CO₃) = 0,4 моль – по уравнению реакции [3]

n₃(CO₂) = n(Na₂CO₃) = 0,2 моль – по уравнению реакции [3]

n(NaCl) = n₂(NaCl) + n₃(NaCl) = 0,5 + 0,4 = 0,9 моль

m(NaCl) = n · M = 0,9 · 58,5 = 52,65 г

m(р-ра) = m(смеси) + m(р-ра HCl) – m₂(CO₂) – m₃(CO₂)

n(HCl) = n₂(HCl) + n₃(HCl) = 0,5 + 0,4 = 0,9 моль

m(HCl) = n · M = 0,9 · 36,5 = 32,85 г

n(CO₂) = n₂(CO₂) + n₃(CO₂) = 0,5 + 0,2 = 0,7 моль

m(CO₂) = n · M = 0,7 · 44 = 30,8 г

m(р-ра HCl) = m(HCl)/ω(HCl) = 32,85/0,2 = 164,25 г

m(р-ра) = 63,2 + 164,25 – 30,8 = 196,65 г

ω(NaCl) = m(NaCl)/m(р-ра) = 52,65/196,65 = 0,2677 (26,77%)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решение задач занимает в химическом образовании важное место, так как это один из приемов обучения, посредством которого обеспечивается более глубокое и полное усвоение учебного материала по химии и вырабатывается умение самостоятельного применения приобретенных знаний.

В процессе решения задач происходит уточнение и закрепление химических понятий о веществах и процессах, вырабатывается смекалка в использовании имеющихся знаний. Побуждая учащихся повторять пройденное, углублять и осмысливать его, химические задачи способствуют формированию системы конкретных представлений, что необходимо для осмысленного восприятия последующего материала. Задачи, включающие определенные химические ситуации, становятся стимулом самостоятельной работы учащихся над учебным материалом. Отсюда понятно общепринятое мнение, что мерой усвоения материала следует считать не только и даже не столько пересказ учебника, сколько умение использовать полученные знания при решении различных задач.

Таким образом, решение задач — важный компонент процесса обучения химии. Наилучших результатов можно достичь при систематическом решении различных видов задач. Поэтому разработка систем задач является важной составляющей в процессе обучения, т.к. система задач обеспечивает в наиболее короткий срок и с наименьшей затратой сил достигнуть наилучших результатов.

Что нужно делать, чтобы научиться решать 34 задачу?

Обязательно решить как можно больше задач разного типа! К сожалению, нельзя научиться решать 34 задание, выучив основные формулы. В нем будут проверять все ваши знания по неорганической химии и то, как вы можете провести мысленный эксперимент.