При взаимодействии оксида цинка с угарным газом протекает окислительно-восстановительная реакция: ZnO + CO → Zn + CO2 (нагревание) (I)
С раствором гидроксида натрия реагируют образовавшийся цинк и непрореагировавший оксид цинка: Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑ (II) ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4] (III)
Вычислим количество вещества оксида цинка и угарного газа, вступающих в реакцию (I): νисх.(ZnO) = mисх.(ZnO)/M(ZnO) = 16,2 г /81 г/моль = 0,2 моль; νисх.(CO) = Vисх.(CO)/Vm = 1,12 л/22,4 л/моль = 0,05 моль.
По уравнению реакции (I) ν.(ZnO) = ν(CO), а по условию задачи количество вещества угарного газа в 4 раза меньше количества вещества оксида цинка (0,05 моль CO и 0,2 моль ZnO), поэтому оксид цинка прореагировал не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, νисх.(ZnO) = 0,2 моль и νост.(ZnO) = 0,2 моль – 0,05 моль = 0,15 моль.
Для расчета в дальнейшем массы конечного раствора необходимо знать массы образовавшегося цинка и непрореагировавшего оксида цинка: mост.(ZnO) = νост.(ZnO) • M(ZnO) = 0,15 моль • 81 г/моль = 12,15 г; m(Zn) = ν(Zn) • M(Zn) = 0,05 моль • 65 г/моль = 3,25 г.
Вычислим массу и количество вещества гидроксида натрия: mисх.(NaOH) = mисх.(р-ра NaOH) • ω(NaOH) = 60 г • 0,4 = 24 г; νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 24 г/40 г/моль = 0,6 моль.
Согласно уравнениям реакции (II) и (III) νII(NaOH) = 2ν(Zn) и νIII(NaOH) = 2νост.(ZnO), следовательно, общее количество и масса реагирующей щелочи равны: νобщ.(NaOH) = νII(NaOH) + νIII(NaOH) = 2ν(Zn) + 2νост.(ZnO) = 2 • 0,05 моль + 2 • 0,15 моль = 0,4 моль; mреаг.(NaOH) = νреаг.(NaOH) • M(NaOH) = 0,4 моль • 40 г/моль = 16 г.
Вычислим массу непрореагировавшей щелочи: mост.(NaOH) = mисх.(NaOH) − mреаг.(NaOH) = 24 г – 16 г = 8 г..
Для расчета массы конечного раствора необходимо вычислить массу выделяющегося в результате реакции (II) водорода: νост.(Zn) = 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: m(р-ра) = mисх.(р-ра NaOH) + m(Zn) + mост.(ZnO) – m(H2) = 60 г + 12,15 г + 3,25 г – 0,1 г = 75,3 г.
Массовая доля щелочи в образовавшемся растворе равна: ω(NaOH) = mост.(NaOH)/m(р-ра) • 100% = 8 г/75,3 г • 100% = 10,62%.