При взаимодействии сульфата меди (II) с цинком протекает реакция замещения: Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (I)
Вычислим количество вещества медного купороса и цинка, вступающих в реакцию (I): ν(CuSO4 • 5H2O) = m(CuSO4 • 5H2O)/M(CuSO4 • 5H2O) = 50 г /250 г/моль = 0,2 моль; ν(Zn) = m(Zn)/M(Zn) = 19,5 г/65 г/моль = 0,3 моль.
По уравнению реакции (I) ν(Zn) = ν(CuSO4), а по условию задачи количество вещества медного купороса в недостатке (0,2 моль CuSO4 • 5H2O и 0,3 моль Zn), поэтому цинк прореагировал не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, ν(CuSO4 • 5H2O) = ν(ZnSO4) = ν(Cu) = νреаг.(Zn) = 0,2 моль и νост.(Zn) = 0,3 моль – 0,2 моль = 0,1 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) = 0,2 моль • 64 г/моль = 12,8 г; ν(CuSO4 • 5H2O) = ν(CuSO4) = 0,2 моль, следовательно, m(CuSO4) = ν(CuSO4) • M(CuSO4) = 0,2 моль • 160 г/моль = 32 г; mисх.(р-ра CuSO4) = m(CuSO4)/ω(CuSO4) • 100% = 32 г/10% • 100% = 320 г.
С раствором гидроксида натрия реагируют непрореагировавший полностью в реакции (I) цинк и сульфат цинка с образованием комплексной соли – тетрагидроксоцинката натрия: Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑ (II) ZnSO4 + 4NaOH → Na2[Zn(OH)4] + Na2SO4 (III)
Вычислим массу и количество вещества гидроксида натрия: mисх.(NaOH) = mисх.(р-ра NaOH) • ω(NaOH) = 200 г • 0,3 = 60 г; νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 60 г/40 г/моль = 1,5 моль.
Согласно уравнениям реакции (II) и (III) νII(NaOH) = 2νост.(Zn) и νIII(NaOH) = 4ν(ZnSO4), следовательно, общее количество и масса реагирующей щелочи равны: νобщ.(NaOH) = νII(NaOH) + νIII(NaOH) = 2 • 0,1 моль + 4 • 0,2 моль = 1 моль; mреаг.(NaOH) = νреаг.(NaOH) • M(NaOH) = 1 моль • 40 г/моль = 40 г.
Вычисли массу непрореагировавшей щелочи: mост.(NaOH) = mисх.(NaOH) − mреаг.(NaOH) = 60 г – 40 г = 20 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 (массу непрореагировавшего по реакции (I) цинка не учитываем, поскольку в реакциях (II) и (III) переходит в раствор): m(р-ра) = mисх.(р-ра CuSO4) + mисх.(Zn) − m(Cu) + mисх.(р-ра NaOH) – m(H2) = 320 г + 19,5 г – 12,8 г + 200 г – 0,2 г = 526,5 г.
Массовая доля щелочи в образовавшемся растворе равна: ω(NaOH) = mост.(NaOH)/m(р-ра) • 100% = 20 г/526,5 г • 100% = 3,8%.