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 + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑ (II) ZnO + 2KOH + H2O → K2[Zn(OH)4](III)
Вычислим количество вещества оксида цинка и угарного газа, вступающих в реакцию (I): νисх.(ZnO) = mисх.(ZnO)/M(ZnO) = 32,4 г /81 г/моль = 0,4 моль; νисх.(CO) = Vисх.(CO)/Vm = 2,24 л/22,4 л/моль = 0,1 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 (0,1 моль CO и 0,4 моль ZnO), поэтому оксид цинка прореагировал не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, νисх.(ZnO) = 0,4 моль и νост.(ZnO) = 0,4 моль – 0,1 моль = 0,3 моль.
Для расчета в дальнейшем массы конечного раствора необходимо знать массы образовавшегося цинка и непрореагировавшего оксида цинка: mост.(ZnO) = νост.(ZnO) • M(ZnO) = 0,3 моль • 81 г/моль = 24,3 г; m(Zn) = ν(Zn) • M(Zn) = 0,1 моль • 65 г/моль = 6,5 г.
Вычислим массу и количество вещества гидроксида натрия: mисх.(KOH) = mисх.(р-ра KOH) • ω(KOH) = 224 г • 0,4 = 89,6 г; νисх.(KOH) = mисх.(KOH)/M(KOH) = 89,6 г/56 г/моль = 1,6 моль.
Согласно уравнениям реакции (II) и (III) νII(KOH) = 2ν(Zn) и νIII(KOH) = 2νост.(ZnO), следовательно, общее количество и масса реагирующей щелочи равны: νобщ.(KOH) = νII(KOH) + νIII(KOH) = 2ν(Zn) + 2νост.(ZnO) = 2 • 0,1 моль + 2 • 0,3 моль = 0,8 моль; mреаг.(KOH) = νреаг.(KOH) • M(KOH) = 0,8 моль • 56 г/моль = 44,8 г.
Вычислим массу непрореагировавшей щелочи: mост.(KOH) = mисх.(KOH) − mреаг.(KOH) = 89,6 г – 44,8 г = 44,8 г
Для расчета массы конечного раствора необходимо вычислить массу выделяющегося в результате реакции (II) водорода: νост.(Zn) = ν(H2) = 0,1 моль и m(H2) = ν(H2) • M(H2) = 0,1 моль • 2 г/моль = 0,2 г.
Массу полученного раствора вычисляем по формуле: m(р-ра) = mисх.(р-ра KOH) + m(Zn) + mост.(ZnO) – m(H2) = 224 г + 6,5 г + 24,3 г – 0,2 г = 254,6 г.
Массовая доля щелочи в образовавшемся растворе равна: ω(KOH) = mост.(KOH)/m(р-ра) • 100% = 44,8 г/254,6 г • 100% = 17,6%.