Задача сложная, поскольку реакции меди и ее оксидов с кислотами зависят от многих условий.
1) Cu + Cu₂O + CuO + HCl(конц) ⇒ ? На первый взгляд металлическая медь не изменится, а оксиды превратятся в хлориды - растворимый CuCl₂ и практически нерастворимый CuCl. Однако металлическая медь растворяется в горячей соляной кислоте в присутствии кислорода и других окислителей с образованием CuCl: 4 Cu + 4 HCl + O₂ ⇒ 4 CuCl↓ + 2 H₂O
В горячей концентрированной соляной кислоте металлическая медь реагирует и с CuCl₂ (реакция конпропорционирования): Cu + CuCl₂ ⇒ 2 CuCl↓
Обе реакции могут существенно изменить соотношение Cu и CuCl в осадке. Но поскольку в задаче не говорится о нагреве, будем считать, что эти реакции не протекают. Но есть еще одно обстоятельство. CuCl практически нерастворим в воде. Однако в соляной кислоте он образует растворимое комплексное соединение: CuCl↓ + HCl ⇒ H[CuCl₂]. Поскольку в условии сказано, что используется концентрированная кислота, можно предположить, что весь CuCl растворится. В итоге в осадке будет только металлическая медь Cu, которая изначально содержалась в образце смеси. Масса осадка по условию 0,071 г. Значит, можно рассчитать массовую долю меди в смеси, разделив массу осадка (то есть меди) на массу первого образца смеси (1,42 г): w(Cu) = 0,071 г / 1,42 г = 0,05 = 5%
2) Cu + Cu₂O + CuO + H₂SO₄ (разб.) ⇒ ? С разбавленной серной кислотой медь не реагирует. CuO в ней растворяется: CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O
Cu₂O реагирует сложнее. Сначала, видимо, также образуется сульфат меди (I). Однако эта соль нестабильна и сразу же диспропорционирует до металлической меди и сульфата меди (II): Cu₂O + H₂SO₄ = Cu₂SO₄ + H₂O Cu₂SO₄ = CuSO₄ + Cu↓
В итоге, в осадке металлическая медь, которая присутствовала в смеси изначально, и медь, образовавшаяся из Cu₂O. Поскольку массовая доля меди в смеси уже известна, можно вычислить, сколько ее было во втором образце и , соответственно, в осадке: 5%*1,24 г = 0,05*1,24 г = 0,062 г. Тогда масса меди, образовавшейся из Cu₂O, равна 0,31 - 0,062 = 0,248 г.
Обратимся к уравнению реакции и рассчитаем массу Cu₂O, из которого образовалось 0,248 г Cu:
Cu₂O + H₂SO₄ = CuSO₄ + Cu↓ + H₂O 143,1 г 63,6 г х г 0,248 г
х = 143,1*0,248 / 63,6 = 0,558 г
Рассчитаем массовую долю Cu₂O в смеси, разделив найденную массу Cu₂O во втором образце смеси (0,588 г) на массу второго образца смеси: w(Cu₂O) = 0,588 г / 1,24 г = 0,45 = 45% Тогда массовая доля CuO равна: w(CuO) = 100% - w(Cu) - w(Cu₂O) = 100% - 5% - 45% = 50% = 0.5 Итак, состав смеси: Cu - 5% Cu₂O - 45% CuO - 50%
Возьмем для удобства расчетов 100 г этой смеси. В этих 100 г содержится 5 г Cu, 45 г Cu₂O, 50 г CuO
Оксиды меди можно превратить в металлическую медь, восстановив или разложив их. Например, после второй реакции (с серной кислотой) получаем в осадке исходную медь и медь, получившуюся из Cu₂O. Из оставшегося раствора CuSO₄ можно восстановить медь, например, с электролиза. Рассчитаем теоретически возможную массу меди, которую можно получить из 100 г смеси.
5 г Cu дают 5 г Cu
45 г Cu₂O дают х г Cu:
Cu₂O ⇒ 2 Cu 143,1 г 2*63,6 г 45 г х г
х = 45*2*63,6 / 143,1 = 40 г
50 г CuO дают у г Cu:
CuO ⇒ Cu 79,6 г 63,6 г 50 г у г
у = 50*63,6 / 79,6 = 40 г.
Итого получается меди: 5 + 40 + 40 = 85 г Из 100 г смеси получается 85 г меди Из 1 г смеси получается, соответственно, 0,85 г меди
M(SiO₂) = 60 г/моль Рассчитаем количество вещества выделившегося углекислого газа. Согласно уравнению реакции 1 моль (60 г) SiO₂ вытесняет 1 моль CO₂. Тогда 12 г SiO₂ вытесняют х моль CO₂:
SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂↑ 60 г 1 моль 12 г х моль
х = 12*1/60 = 0,2 моль
Рассчитаем количество вещества NaOH. M(NaOH) = 40 г/моль. Массовая доля w(NaOH) = 10% = 0,1. Плотность раствора d = 1,11 г/мл. Объем раствора V = 100 мл. Масса раствора m = Vd = 100 мл * 1,11 г/мл = 111 г. Масса m(NaOH) равна w(NaOH) * m = 0.1 * 111 г = 11,1 г. Количество вещества n(NaOH) равно m(NaOH) / M(NaOH) = = 11,1 г / 40 г/моль = 0,2775 моль
Углекислый газ реагирует с щелочью с образованием гидрокарбоната:
CO₂ + NaOH = NaHCO₃
Согласно уравнению, на 1 моль CO₂ должно приходиться 1 моль NaOH. Соответственно, на 0,2 моль CO₂ - 0,2 моль NaOH. Фактически, количество вещества NaOH - 0,2775 моль. Значит, NaOH - в избытке. Расчеты ведем по CO₂.
0,2 моль CO₂ образуют 0,2 моль NaHCO₃. На это расходуются 0,2 моль NaOH. Остается избыток NaOH, он составляет 0,0775 моль. Этот избыток NaOH реагирует с образовавшимся гидрокарбонатом натрия NaHCO₃ с образованием карбоната натрия Na₂CO₃:
NaOH + NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O Согласно уравнению, 1 моль NaOH реагирует с 1 моль NaHCO₃ с образованием 1 моль Na₂CO₃
Значит, количество вещества NaHCO₃ уменьшилось на 0,0775 моль и составляет 0,2 - 0,0775 = 0,1225 моль. n(NaHCO₃) = 0,1225 моль. Количество вещества образовавшегося Na₂CO₃ составляет 0,0775 моль. n(Na₂CO₃) = 0,0775 моль
При упаривании раствора гидрокарбонат натрия разлагается с образованием карбоната натрия и выделением углекислого газа:
2 NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O
Согласно уравнению реакции из 2 моль NaHCO₃ образуется 1 моль Na₂CO₃ А из 0,1225 моль NaHCO₃ - х моль Na₂CO₃
х = 0,1225*1/2 = 0,06125 моль - дополнительно образовалось Na₂CO₃
Всего же карбоната натрия Na₂CO₃ стало 0,0775 + 0,06125 = 0,13875 моль. n(Na₂CO₃) = 0,13875 моль. M(Na₂CO₃) = 106 г/моль. Масса m(Na₂CO₃) = n(Na₂CO₃) * M(Na₂CO₃) = 0,13875 моль * 106 г/моль = = 14,7075 г ≈ 14,7 г.
Карбонат натрия выделяется в виде кристаллогидратов: до 32°С - Na₂CO₃*10 H₂O, от 32 до 35°С - Na₂CO₃* 7 H₂O, выше 35°С - Na₂CO₃* H₂O. При 100...120 °С окончательно теряет воду и превращается в Na₂CO₃. Поэтому при расчетах предполагается, что после упаривания осадок карбоната натрия в виде чистой соли, а не в виде кристаллогидрата.
