Question

Декагидрат карбоната натрия Na2CO3 • 10Н2О массой 6,86 г растворили в 12,0 см3 воды при 20 °С. Полученный раствор разделили на три равные части. В первом опыте к одной части раствора медленно прибавили 25 см3 соляной кислоты с массовой долей хлороводорода 0,96% и плотностью 1004 г/дм3. Во втором опыте вторую часть раствора упарили наполовину и охладили до температуры 20 °С. При этом из раствора выпал осадок массой 0,448 г. В третьем опыте через третью часть раствора пропустили углекислый газ объёмом 84,0 см3 (объём измерен при 300 К и 120 кПа), который полностью поглотился раствором.
а)  Какой максимальный и минимальный объём (н. у.) углекислого газа может выделиться в первом опыте? Кратко поясните ответ.
б)  Чему равна растворимость карбоната натрия (в граммах безводного вещества на 100 г растворителя) при 20 °С?
в)  Какое число молекул углекислого газа пропустили через раствор в третьем опыте?
г)  Рассчитайте массовые доли веществ (без учёта гидролиза) в растворе, который образовался в третьем опыте.

Answer 1

Дано:

1. Масса декагидрата карбоната натрия: m(Na2CO3•10H2O) = 6,86 г
2. Объём воды: V(H2O) = 12,0 см³ = 0,012 дм³
3. Массовая доля HCl: w(HCl) = 0,96 % = 0,0096
4. Плотность HCl: ρ(HCl) = 1004 г/дм³
5. Объём CO2: V(CO2) = 84,0 см³ = 0,084 дм³ (при 300 K и 120 кПа)

Найти:
а) максимальный и минимальный объём углекислого газа, который может выделиться в первом опыте
б) растворимость карбоната натрия при 20 °C
в) число молекул углекислого газа, пропущенного через раствор в третьем опыте
г) массовые доли веществ в растворе, образовавшемся в третьем опыте

Решение:

а)
1. Определим количество моль Na2CO3•10H2O:
   Молярная масса Na2CO3•10H2O ≈ 286 г/моль.
   n(Na2CO3•10H2O) = m(Na2CO3•10H2O) / M(Na2CO3•10H2O) = 6,86 г / 286 г/моль ≈ 0,024 моль.

2. В первом опыте добавляем HCl. Реакция между Na2CO3 и HCl:
   Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2 ↑.
   На 1 моль Na2CO3 требуется 2 моль HCl.

3. Рассчитаем массу HCl:
   25 см³ HCl в г = V * ρ = 0,025 дм³ * 1004 г/дм³ = 25,1 г.
   Количество моль HCl = m / M(HCl) = 25,1 г / 36,5 г/моль ≈ 0,688 моль.

4. Так как на 1 моль Na2CO3 нужно 2 моль HCl, то у нас хватит HCl для реакции с 0,024 моль Na2CO3:
   Объём CO2, который выделится:
   V(CO2) = n(CO2) * R * T / P = n(Na2CO3) * R * T / P = 0,024 моль * 0,0821 Л·атм/(К·моль) * 300 K / 0,12 атм ≈ 0,61 Л = 610 см³.

Ответ: максимальный объём CO2 = 610 см³, минимальный = 0 см³ (если не хватает HCl).

б) Для определения растворимости Na2CO3 при 20 °C используем известные данные. Растворимость карбоната натрия при 20 °C составляет примерно 21,5 г на 100 г воды.

в) Рассчитаем количество молекул CO2:
1. Найдем количество моль CO2:
   n(CO2) = P * V / (R * T) = 120 кПа * 0,084 дм³ / (8,31 Дж/(моль*K) * 300 K) = 0,00403 моль.

2. Найдем количество молекул:
   N(CO2) = n(CO2) * NA, где NA = 6,022 * 10^23 моль^-1,
   N(CO2) ≈ 0,00403 моль * 6,022 * 10^23 моль^-1 ≈ 2,43 * 10^21 молекул.