Дано:
1. Масса железа = 11,2 г.
2. Объем раствора серной кислоты = 129 мл.
3. Массовая доля серной кислоты = 20%.
4. Плотность раствора серной кислоты = 1,14 г/мл.
5. Масса кристаллогидрата сульфата железа = 13,9 г.
6. Плотность оставшегося раствора = 1,21 г/мл.
7. Температура охлаждения = 10 °C.
Найти:
1. Массовые доли веществ в конечном растворе.
2. Молярные концентрации веществ в конечном растворе.
Решение:
1. Найдем массу серной кислоты в растворе:
Масса раствора = объем * плотность = 129 мл * 1,14 г/мл = 146,86 г.
Масса H2SO4 = массовая доля * масса раствора = 0,20 * 146,86 г = 29,372 г.
2. Рассчитаем количество вещества серной кислоты:
Молярная масса H2SO4 = 98 г/моль.
n(H2SO4) = масса / молярная масса = 29,372 г / 98 г/моль ≈ 0,299 моль.
3. Определим количество вещества сульфата железа, которое образуется:
Реакция между железом и серной кислотой:
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑.
Из уравнения видно, что 1 моль железа реагирует с 1 моль H2SO4, образуя 1 моль сульфата железа.
Рассчитаем количество вещества Fe:
Молярная масса Fe = 55,85 г/моль.
n(Fe) = 11,2 г / 55,85 г/моль ≈ 0,200 моль.
Поскольку Fe и H2SO4 реагируют в 1:1, количество сульфата железа будет равно 0,200 моль.
4. Рассчитаем массу образовавшегося сульфата железа (FeSO4):
Молярная масса FeSO4 = 55,85 г/моль + 32,07 г/моль + 4 * 16 г/моль = 151,91 г/моль.
Масса FeSO4 = n(FeSO4) * M(FeSO4) = 0,200 моль * 151,91 г/моль ≈ 30,382 г.
5. Из условия задачи известно, что выпало 13,9 г кристаллогидрата сульфата железа. Поскольку у нас есть 30,382 г сульфата железа, оставшаяся масса сульфата железа в растворе:
Масса оставшегося сульфата железа = 30,382 г - 13,9 г = 16,482 г.
6. Найдем массу оставшегося раствора:
Общая масса раствора = масса H2SO4 + масса оставшегося сульфата железа + масса воды.
Масса воды в растворе = объем * плотность = (129 мл - масса кристаллогидрата / плотность кристаллогидрата).
Плотность семиводного кристаллогидрата сульфата железа (FeSO4•7H2O) = 3,09 г/моль.
Молярная масса FeSO4•7H2O = 151,91 г/моль + 7 * 18 г/моль = 151,91 г + 126 г = 277,91 г/моль.
n(FeSO4•7H2O) = 13,9 г / 277,91 г/моль ≈ 0,050 моль.
7. Теперь найдем массу оставшегося раствора:
Масса оставшегося раствора = масса H2SO4 + масса оставшегося FeSO4 + масса воды.
Масса оставшегося раствора = 29,372 г + 16,482 г + (масса раствора - масса кристаллогидрата).
Масса оставшегося раствора = 29,372 г + 16,482 г + (146,86 г - 13,9 г) = 29,372 г + 16,482 г + 132,96 г = 178,814 г.
8. Теперь найдем массовые доли:
w(H2SO4) = масса H2SO4 / масса оставшегося раствора = 29,372 г / 178,814 г ≈ 0,164.
w(FeSO4) = масса оставшегося FeSO4 / масса оставшегося раствора = 16,482 г / 178,814 г ≈ 0,092.
w(H2O) = масса воды / масса оставшегося раствора = (masse раствора - масса H2SO4 - масса оставшегося FeSO4) / масса оставшегося раствора = (132,96 г) / 178,814 г ≈ 0,743.
9. Теперь найдем молярные концентрации веществ в растворе:
Общий объем оставшегося раствора = 129 мл - 13,9 мл = 115,1 мл = 0,1151 л.
C(H2SO4) = n(H2SO4) / V = 0,299 моль / 0,1151 л ≈ 2,60 моль/л.
C(FeSO4) = n(FeSO4) / V = 0,200 моль / 0,1151 л ≈ 1,74 моль/л.
Ответ:
Массовые доли в конечном растворе:
- H2SO4 ≈ 16,4%.
- FeSO4 ≈ 9,2%.
- H2O ≈ 74,3%.
Молярные концентрации в конечном растворе:
- C(H2SO4) ≈ 2,60 моль/л.
- C(FeSO4) ≈ 1,74 моль/л.