Дано:
- масса фосфида кальция (Ca3P2) m(Ca3P2) = 13,6 г,
- объем раствора соляной кислоты V(HCl) = 330 мл = 0,33 л,
- массовая доля соляной кислоты C(HCl) = 7,5%,
- плотность раствора соляной кислоты ρ(HCl) = 1,04 г/мл,
- масса раствора карбоната натрия (Na2CO3) m(Na2CO3) = 100 г,
- массовая доля карбоната натрия C(Na2CO3) = 4,5%.
Найти:
1. Массовые доли веществ в конечном растворе.
2. Объем выделившегося газа.
Решение:
1. Найдем количество вещества фосфида кальция
Молекулярная масса фосфида кальция:
M(Ca3P2) = 3 * 40,08 + 2 * 30,97 = 122,31 г/моль.
Количество вещества фосфида кальция:
n(Ca3P2) = m(Ca3P2) / M(Ca3P2) = 13,6 г / 122,31 г/моль = 0,1115 моль.
2. Реакция фосфида кальция с соляной кислотой
Ca3P2 + 6HCl → 3CaCl2 + 2PH3.
Из уравнения видно, что 1 моль Ca3P2 реагирует с 6 молями HCl, образуя 2 моля PH3 (фосфин).
Количество вещества HCl, необходимое для реакции:
n(HCl) = 0,1115 моль * 6 = 0,669 моль.
Молекулярная масса HCl = 1 + 35,45 = 36,45 г/моль.
Масса HCl, необходимая для реакции:
m(HCl) = n(HCl) * M(HCl) = 0,669 моль * 36,45 г/моль = 24,37 г.
Теперь найдем массу соляной кислоты в растворе.
Масса раствора соляной кислоты:
m(раствор HCl) = V(HCl) * ρ(HCl) = 0,33 л * 1,04 г/мл = 343,2 г.
Масса соляной кислоты в растворе:
m(HCl в растворе) = C(HCl) * m(раствор HCl) = 0,075 * 343,2 г = 25,74 г.
Поскольку масса HCl в растворе (25,74 г) больше, чем требуемая масса для реакции (24,37 г), вся масса фосфида кальция будет реагировать с соляной кислотой, и лишняя кислота останется в растворе.
Количество вещества PH3 (газ) образуется в соответствии с уравнением:
n(PH3) = n(Ca3P2) * 2 / 1 = 0,1115 моль * 2 = 0,223 моль.
3. Реакция карбоната натрия с оставшейся соляной кислотой
Сначала найдем, сколько соляной кислоты осталось после реакции с фосфидом кальция.
Остаток HCl:
m(оставшийся HCl) = m(HCl в растворе) - m(HCl, реагировавший с Ca3P2) = 25,74 г - 24,37 г = 1,37 г.
Молекулярная масса HCl = 36,45 г/моль.
Количество вещества оставшейся HCl:
n(оставшийся HCl) = m(оставшийся HCl) / M(HCl) = 1,37 г / 36,45 г/моль = 0,0376 моль.
Теперь рассмотрим реакцию оставшейся HCl с карбонатом натрия:
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2.
Из уравнения видно, что 1 моль Na2CO3 реагирует с 2 молями HCl.
Количество вещества Na2CO3:
m(Na2CO3) = 100 г,
C(Na2CO3) = 4,5%,
m(Na2CO3) = 100 г * 4,5% = 4,5 г.
Молекулярная масса Na2CO3 = 2 * 22,99 + 12,01 + 3 * 16,00 = 105,99 г/моль.
Количество вещества Na2CO3:
n(Na2CO3) = 4,5 г / 105,99 г/моль = 0,0424 моль.
С учетом реакции с HCl, весь Na2CO3 будет реагировать, потому что HCl в избытке (0,0376 моль HCl хватает для реакции с 0,0188 моль Na2CO3).
В результате реакции выделяется CO2 (углекислый газ). Из уравнения видно, что 1 моль Na2CO3 дает 1 моль CO2. Следовательно, количество вещества CO2:
n(CO2) = n(Na2CO3) = 0,0424 моль.
4. Объем выделившегося газа
Объем газа CO2 (при нормальных условиях) можно найти по уравнению состояния идеального газа:
V(CO2) = n(CO2) * Vm,
где Vm = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях).
V(CO2) = 0,0424 моль * 22,4 л/моль = 0,949 л.
5. Массовые доли веществ в конечном растворе
Масса конечного раствора:
m(конечный раствор) = m(раствор HCl) + m(раствор Na2CO3) = 343,2 г + 100 г = 443,2 г.
Масса NaCl в конечном растворе: из реакции с Na2CO3 образуется 2 моль NaCl на 1 моль Na2CO3, т.е. масса NaCl:
m(NaCl) = n(Na2CO3) * 2 * M(NaCl) = 0,0424 моль * 2 * 58,44 г/моль = 4,96 г.
Масса воды в конечном растворе: она образуется в реакции между HCl и Na2CO3 (2 моль HCl на 1 моль Na2CO3), т.е. масса воды:
m(H2O) = n(Na2CO3) * 2 * M(H2O) = 0,0424 моль * 2 * 18,02 г/моль = 1,53 г.
Масса CO2 (газ) в растворе, поскольку это газ, он не входит в массу раствора.
Массовая доля NaCl:
w(NaCl) = m(NaCl) / m(конечный раствор) = 4,96 г / 443,2 г = 0,0112 = 1,12%.
Массовая доля H2O:
w(H2O) = m(H2O) / m(конечный раствор) = 1,53 г / 443,2 г = 0,0035 = 0,35%.
Массовая доля CO2: так как это газ, его масса не входит в конечный раствор.
Ответ:
1. Массовые доли веществ в конечном растворе:
- NaCl: 1,12%
- H2O: 0,35%
- CO2: газ, не входит в массу раствора.
2. Объем выделившегося газа (CO2): 0,949 л.