При взаимодействии сульфата меди (II) с железом протекает реакция замещения: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu (I)
20%-ная серная кислота реагирует с железом по уравнению: Fe + H2SO4(разб.) → FeSO4 + H2 (II)
Вычислим количество вещества медного купороса и железа, вступающих в реакцию (I): ν(CuSO4 • 5H2O) = m(CuSO4 • 5H2O)/M(CuSO4 • 5H2O) = 37,5 г/250 г/моль = 0,15 моль; νисх.(Fe) = mисх.(Fe)/M(Fe) = 11,2 г/56 г/моль = 0,2 моль.
По уравнению реакции (I) ν(Fe) = ν(CuSO4), а по условию задачи количество вещества медного купороса в недостатке (0,15 моль CuSO4 • 5H2O и 0,2 моль Fe), поэтому железо прореагировало не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, ν(CuSO4 • 5H2O) = ν(Cu) = ν(FeSO4) = 0,15 моль и νост.(Fe) = 0,2 моль – 0,15 моль = 0,05 моль. Для расчета в дальнейшем массы конечного раствора необходимо знать массу образовавшейся меди (реакция (I)) и исходного раствора медного купороса: m(Cu) = ν(Cu) • M(Cu) = 0,15 моль • 64 г/моль = 9,6 г; ν(CuSO4 • 5H2O) = ν(CuSO4) = 0,15 моль, следовательно, m(CuSO4) = ν(CuSO4) • M(CuSO4) = 0,15 моль • 160 г/моль = 24 г; mисх.(р-ра CuSO4) = m(CuSO4)/ω(CuSO4) • 100% = 24 г/20% • 100% = 120 г.
Разбавленная серная кислота не реагирует с медью, а с железом взаимодействует по реакции (II).
Вычислим массу и количество вещества серной кислоты: mисх.(H2SO4) = mисх.(р-ра H2SO4) • ω(H2SO4) = 100 г • 0,2 = 20 г; νисх.(H2SO4) = mисх.(H2SO4)/M(H2SO4) = 20 г/98 г/моль ≈ 0,204 моль.
Поскольку νост.(Fe) = 0,05 моль, а νисх.(H2SO4) ≈ 0,204 моль, следовательно, в недостатке находится железо и полностью растворяется серной кислотой. По уравнению реакции (II) ν(Fe) = ν(FeSO4), то общее количество вещества сульфата железа (II) складывается из количеств, образующих по реакциям (I) и (II), и равны: ν(FeSO4) = 0,05 моль + 0,15 моль = 0,2 моль; m(FeSO4) = ν(FeSO4) • M(FeSO4) = 0,2 моль • 152 г/моль = 30,4 г.
Для расчета массы конечного раствора необходимо вычислить массу выделяющегося в результате реакции (II) водорода: νост.(Fe) = ν(H2) = 0,05 моль и m(H2) = ν(H2) • M(H2) = 0,05 моль • 2 г/моль = 0,1 г.
Массу полученного раствора вычисляем по формуле (массу непрореагировавшего по реакции (I) железа не учитываем, поскольку в реакции (II) оно переходит в раствор): m(р-ра) = mисх.(р-ра CuSO4) + mисх.(Fe) − m(Cu) + mисх.(р-ра H2SO4) – m(H2) = 120 г + 11,2 г – 9,6 г + 100 г – 0,1 г = 221,5 г.
Массовая доля сульфата железа (II) в образовавшемся растворе равна: ω(FeSO4) = m(FeSO4)/m(р-ра) • 100% = 30,4 г/221,5 г • 100% = 13,72%.