ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ, хімія 11 клас

 

ПОНЯТТЯ ПРО ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ЯК ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати катод, анод, електроліт;
• наводити приклади різних видів гальванічних елементів;
• пояснювати принцип дії гальванічного елемента;
• оцінювати негативний вплив на екологію відпрацьованих гальванічних елементів;
• дотримуватися правил їхньої утилізації.

З історії відкриття. Італійський фізіолог, професор медицини Болонського університету Л. Гальвані вперше виявив електричний струм, що виникав у разі контакту різних металів. Він провів та описав дослід скорочення м'язів задніх кінцівок жаби, закріплених на мідних гачках, під час дотику до них сталевим скальпелем.

Зацікавившись дослідом Л. Гальвані, його співвітчизник, фізик і хімік А. Вольта провів серію дослідів, у яких замінив кінцівку жаби на електрометр. У 1800 р. А. Вольта заявив про відкриття явища виникнення електричного струму та сконструював пристрій, що виробляв електричний струм. Пристрій складався з двох металевих пластин — мідної та цинкової, між якими поміщалася тканина, заздалегідь просякнута розчином сульфатної кислоти. До пластин були припаяні дроти, які занурювали у воду. На поверхні дротів виділявся газ, що вказувало на проходження крізь воду електричного струму. Це найпростіше хімічне джерело струму він назвав гальванічним елементом, на честь Л. Гальвані.

Алессандро Вольта (1745-1827) — італійський природодослідник, фізик, хімік і фізіолог. Навчаючись у Королівській семінарії в м. Комо, вирішив своє життя присвятити вивченню хімії та фізики.

Початок наукової діяльності пов'язаний з викладанням фізики в закладі, у якому він навчався. Упродовж одного року вивчав атмосферну електрику та проводив дослідження з електрохімії, електромагнетизму та електрофізіології.

У 1800 р. винайшов першу електричну батарею — нове джерело постійного струму (вольтів стовп). Цей винахід відіграв визначальну роль у дослідженнях електромагнітних і магнітних явищ. На честь А. Вольта названа одиниця різниці потенціалів електричного поля — вольт.

Удосконаленням першого гальванічного елемента займалися англійський хімік Дж. Ф. Даніель і незалежно від нього німецький та російський фізик-винахідник Б. С. Якобі.

Пригадайте з курсу хімії 9 класу, які речовини називають електролітами.

Принцип дії гальванічного елемента. Гальванічний елемент Даніеля-Якобі (рис. 31) складається з двох посудин, що містять розчини солей: цинк нітрат і купрум(ІІ) нітрат. У першу посудину занурено цинкову пластину, а в другу — мідну. Інакше пластини називають електродами. Посудини сполучені трубкою, заповненою розчином електроліту (натрій нітрату), для забезпечення контакту між розчинами. Щоб розчин у трубці не виливався, її кінці закривають скловатою або гелем, просоченим електролітом. Якщо пластини з'єднати дротом з електричною лампою, то вона засвітиться.

Рис. 31. Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі

Упродовж деякого часу в посудинах з електродами спостерігаються зміни: цинкова пластина зменшується, тобто розчиняється, а мідна — збільшується, тому що на ній осідає мідь з розчину купрум(ІІ) нітрату. Водночас його забарвлення послаблюється, що вказує на зниження концентрації йонів Купруму в розчині. Відбувається хімічний процес, суть якого полягає в перенесенні електронів з однієї частини елемента до іншої. Отже, у гальванічному елементі відбувається типовий електрохімічний процес, що пояснюється окисно-відновними реакціями.

Атоми цинку, утрачаючи електрони, окиснюються й перетворюються на катіони Цинку: Zn0 - 2е = Zn2+. На цинковому електроді концентруються електрони, тому він набуває негативного заряду. Цинковий електрод називають анодом. На поверхні мідної пластини електрони захоплюються катіонами Купруму з розчину, відновлюючи їх до атомів міді, які й осідають на пластині. Відбувається процес відновлення: Сu2+ + 2е = Сu0. Мідний електрод унаслідок відновлення набуває позитивного заряду; такий електрод дістав назву катод.

Окисно-відновний процес, що відбувається в гальванічному елементі, відображає таке сумарне рівняння:

Cu2+ + Zn0 → Cu0 + Zn2+,

або рівняння реакції заміщення:

Cu(NO3)2 + Zn = Cu + Zn(NO3)2.

• Хімічні джерела струму — це пристрої, що виробляють електричний струм унаслідок перебігу в них хімічних реакцій. Гальванічний елемент є хімічним джерелом струму.

Гальванічні елементи з розчинами не зовсім зручні в користуванні, тому з часом широкого застосування набули сухі гальванічні елементи. В їхніх герметичних оболонках містяться не розчини, а пастоподібні суміші речовин. До елементів цього типу належить манган-цинковий елемент, який винайшов французький хімік Ж. Лекланже. Цинковий корпус елемента (рис. 32) є анодом, і на батарейці позначено негативний полюс джерела струму (знак -). Усередині корпусу міститься волога паста, до складу якої входять порошки манган(IV) оксиду, амоній хлориду та графіту. У цю пасту занурено графітовий стрижень, що є катодом. Елемент герметично заливається смолою. Протилежний полюс заряджений позитивно (позначено знаком +).

Рис. 32. Будова сухого гальванічного елемента

Сухі батерейки — поширене та зручне джерело енергії. Вони набули застосування в усіх портативних пристроях, до яких не підключено електричного струму. Нині використовують різні види батарейок: ртутно-кадмієві, ртутно-цинкові, срібно-цинкові тощо.

З побуту вам відомо, що батарейки вичерпують свій запас енергії, з часом спрацьовуються та є невідновними. З їхніх назв зрозуміло, що відпрацьовані батарейки містять цінні хімічні елементи: кольорові й важкі метали, деякі мінерали. Тому викидати використану батарейку, зберігати її на робочому місці або вдома дуже небезпечно.

Різновидом гальванічного елемента є акумулятор — відновлюване джерело струму. В акумуляторі речовини, що витрачаються під час споживання струму, акумулюються на електродах. Тому його можна повернути в первісний стан, якщо ззовні крізь нього пропустити електричний струм.

Негативний вплив на екологію відпрацьованих гальванічних елементів. Гальванічні елементи, про які йшлося, належать до пристроїв одноразового користування, бо мають певний запас реагентів. Після витрачання цих речовин елемент є непридатним для використання.

З'ясуємо, який вплив на зовнішнє середовище здійснюють відпрацьовані гальванічні елементи. Насамперед небезпеку становлять ртуть та інші компоненти гальванічних елементів (кадмій, свинець, олово, нікель, цинк, магній). На сміттєзвалищах під впливом атмосферних факторів елементи живлення швидко руйнуються, а речовини, які в них містяться, випаровуються або вимиваються. Наприклад, вміст однієї батарейки забруднює майже 20 м2 ґрунту, а у водоймах — приблизно 400 л води. У разі потрапляння ртуті у водойми утворюються сполуки, які токсичніші за ртуть. По ланцюгах живлення ці сполуки потрапляють в організми людини та тварин. Особливої шкоди завдають сполуки Меркурію вагітним жінкам і плоду. У дітей, які харчуються продуктами з домішками солей Меркурію, вражається центральна нервова система, що проявляється захворюваннями мозку.

Усі гальванічні елементи, що містять ртуть та інші важкі метали, піддають вторинній переробці. Утилізація відходів гальванічного виробництва має свою специфіку, оскільки ці пристрої різняться за своїм складом, що потребує неоднакових способів їхнього виробництва й утилізації. Тому перед підприємствами, що займаються переробкою гальванічних відходів, постало основне завдання — забезпечити надійний захист процесів видалення відповідних речовин з відпрацьованих гальванічних елементів і застосовувати їх як вторинну сировину. Виробникам важливо забезпечити щонайбільше пунктів збирання батарейок, кінескопів, акумуляторів, мобільних телефонів, ртутних ламп для найефективнішого використання вторинного продукту. А люди, знаючи, які екологічні та небезпечні для здоров'я наслідки можуть їх очікувати, мають відповідально ставитися до збирання відпрацьованих виробів і здавати їх у відповідних пунктах.

Гальванічний елемент можна виготовити в домашніх умовах, використавши овочі та фрукти. Якщо встромити в яблуко два металеві електроди (можуть бути залізний та мідний цвяхи), то електролітом служитиме яблучний сік. Під час з'єднання електродів провідником відбувається окисно-відновний процес. Залізо при цьому віддає електрони і є анодом, а мідь — приєднує їх і є катодом. Виникає електричний струм. Декілька таких елементів за відсутності електроенергії забезпечать підзарядку телефона, що можна реально використати в туристичних походах чи експедиціях.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Виникнення електричного струму під час контакту різних металів уперше відкрив Л. Гальвані. На його честь пристрій, що виробляв електричний струм, сконструйований А. Вольта, було названо гальванічним елементом.

• Гальванічний елемент удосконалив Б. С. Якобі. Він використав дві посудини з розчинами солей, сполучених трубкою, і металеві пластини як електроди, що з'єднувалися дротом з умонтованою електричною лампою. Щоб забезпечити контакт між розчинами, учений заповнив трубку розчином електроліту.

 

РОЗРАХУНКОВІ ЗАДАЧІ НА ОБЧИСЛЕННЯ ЗА ХІМІЧНИМИ РІВНЯННЯМИ ВІДНОСНОГО ВИХОДУ ПРОДУКТУ РЕАКЦІЇ

Опанувавши навчальний матеріал, ви зможете:

• пояснювати алгоритм розв'язування задач на обчислення за хімічними рівняннями відносного виходу продукту реакції;
• обчислювати за хімічними рівняннями відносний вихід продукту реакції, обґрунтовуючи обраний спосіб розв'язання;
• висловлювати судження щодо значення вмінь розв'язувати задачі.

Розв'язування розрахункових задач розвиває вміння аналізувати й синтезувати, порівнювати й обчислювати. Задачі є засобом розвитку інтелекту, критичного та творчого мислення, розв'язання проблем тощо. Вивчаючи хімію, ви ознайомилися з різними типами задач, які не тільки дають змогу проводити обчислення, а й відіграють значну роль у виробничих процесах, сприяють більш рентабельному використанню сировини та продукції. Однак за допомогою розрахунків не завжди отримують такий самий результат, що й на виробництві, оскільки під час добування того чи іншого продукту можливі втрати. Тому практичний вихід продукту завжди менший від теоретично можливого, тобто того, що ми отримуємо, розв'язуючи задачі за хімічними рівняннями.

Теоретичний вихід відповідає масі або об'єму речовини, що знаходимо за рівнянням реакції, а практичний — це маса або об'єм, що отримують під час виробництва. Щоб знайти відносний вихід продукту, який позначають грецькою літерою η (етa), доцільно застосувати формули:

Отже, учимося розв'язувати задачі на обчислення за хімічними рівняннями відносного виходу продукту реакції.

Задача 1. Амоніак об'ємом 6,72 л (н. у.) повністю ввібрався розчином сульфатної кислоти до утворення середньої солі. Утворився амоній сульфат масою 17,82 г. Обчисліть відносний вихід продукту.

Задача 2. Ортофосфатну кислоту повністю нейтралізували натрій гідроксидом та отримали середню сіль масою 32,8 г, з відносним відходом продукту 80 %. Обчисліть маси вихідних речовин.

Задача 3. Етен масою 60 г прореагував з хлором з утворенням дихлороетану масою 198 г. Обчисліть відносний вихід продукту й об'єми газів (н. у.), що прореагували.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Розв'язування задач за хімічними рівняннями на обчислення відносного виходу продукту реакції полягає в тому, що спочатку потрібно обчислити масу чи об'єм речовин, які мають утворитися за рівнянням реакції, тобто обчислити теоретичні масу чи об'єм продукту.

• Практичні маса та об'єм продукту завжди менші від теоретичних. Тому відносний вихід продукту обчислюємо за відношенням практичних маси чи об'єму до теоретичних.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Унаслідок дегідрування етану об'ємом 10 л отримали етен об'ємом 8 л. Обчисліть відносний вихід продукту.
• 2. Магній оксид масою 80 г повністю прореагував з нітратною кислотою. Утворився магній нітрат масою 243,2 г. Обчисліть відносний вихід продукту.
• 3. Крізь розчин кальцій гідроксиду пропустили карбон(IV) оксид об'ємом 11,2 л (н. у.). Утворилася середня сіль масою 44 г. Обчисліть відносний вихід продукту. Назвіть сіль, що утворилася.
• 4. На розчин натрій карбонату масою 106 г з масовою часткою солі 0,1 подіяли кальцій гідроксидом до утворення середньої солі. Утворився кальцій карбонат масою 9 г і натрій гідроксид масою 3,6 г. Обчисліть відносний вихід цих речовин.
• 5. На розчин алюміній хлориду масою 133,5 г з масовою часткою солі 0,2 подіяли розчином калій гідроксиду. Унаслідок реакції випав білий драглистий осад масою 15,6 г та утворилася сіль масою 40,11 г. Обчисліть відносний вихід продуктів реакцій та назвіть речовину, що випала в осад.
• 6. Обчисліть і позначте відносний вихід сульфур(IV) оксиду, якщо внаслідок горіння сірки в атмосфері кисню об'ємом 6,72 л (н.у.) утворився газ об'ємом 5,6 л.

А 83,66 %

Б 82,43 %

В 82,34 %

Г 83,33 %

• 7. Обчисліть і позначте відносний вихід барій нітрату, що утворився внаслідок розчинення барій оксиду масою 15,3 г у воді та повної нейтралізації отриманої речовини нітратною кислотою з утворенням солі масою 22 г.

А 84,90 %

Б 84,29 %

В 80,20 %

Г 85,30 %

• 8. Розв'яжіть кросворд. Заповнивши рядки, у виділеному стовпці прочитаєте прізвище першовідкривача хімічного джерела струму.

За горизонталлю

• 1. Умова перебігу необоротної реакції.
• 2. Назва принципу, що дає змогу передбачити напрямок перебігу реакції.
• 3. Раціональне використання відходів.
• 4. Назва пристрою, що є хімічним джерелом струму.
• 5. Назва процесу, що відбувається в гальванічному елементі.
• 6. Чинник, що впливає на перебіг оборотних реакцій.
• 7. Назва реакції, що відбувається в одному напрямку.
• 8. Загальна назва реакцій речовин з водою.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Гальванічні елементи нині називають батарейками. Найпоширенішими є три типи батарейок: сольові (сухі), лужні та літієві. Принцип їхньої роботи такий самий, як описав А. Вольта, тобто два метали взаємодіють через електроліт, тому в зовнішньому замкнутому ланцюзі виникає електричний струм.

• Лужні й сольові батарейки застосовують для живлення різних електронних пристроїв, радіоапаратури, іграшок.

Сольові батарейки — найдешевші, оскільки їхня ємність є низькою. Тому їх використовують в пристроях, де енергоспоживання незначне: у годинниках, пультах дистанційного управління, в електронних термометрах. Лужні батарейки мають істотно більшу ємність, краще працюють за низьких температур і під час великих навантажень струмом.

• Літієві батарейки відрізняються від інших елементів живлення високою тривалістю роботи й високою вартістю. У них найвища ємність на одиницю маси та тривалий час зберігання. Набули широкого застосування в сучасній портативній електронній техніці: для живлення годинників, на материнських платах комп'ютерів, у портативних медичних приладах типу глюкометрів, наручних годинниках, калькуляторах, фототехніці тощо (За матеріалами сайта http://elektruk.info/main/school/1267-galvanicheskie-elementy-ustroystvo.html).

НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ

• 1. Гальванічний елемент з картоплі, лимона.
• 2. Види та принципи роботи малих джерел електричного струму, їхня утилізація.

Розчини. Масова частка розчиненої речовини - інтерактивний аркуш.

Розчини

Інтерактивний аркуш - Йонні рівняння

Йонні рівняння

Вчимося розв'язувати задачі з теми "Розчини "(алгоритм та приклади)

Задача 1. Потрібно приготувати розчин масою 320 г з масовою часткою хлориду калію 3%. Розрахуйте масу КСl і масу води, які необхідні для приготування розчину.

Розв’язання. Обчислюємо масу хлориду калію, необхідного для приготування розчину:

де m — маса розчину; w (КСl) — масова частка хлориду

калію.

Обчислюємо масу води, необхідної для приготування розчину:

m (Н₂О) = m— m(КСl); m(Н₂O) = 320—9,6 = 310,4 (г).

Задача 2. Нітрат калію масою 10 г розчинили у воді об’ємом 150 мл. Густина води дорівнює 1 г /мл. Розрахуйте масову частку солі в розчині.

Розв’язання. Масу розчинника (води) визначаємо множенням його об’єму У (Н₂О) на густину р(Н₂О):

m(Н₂О) = V (Н₂O) р(Н₂O);m(Н₂О) = 150 ∙ 1 = 150 (г).

Обчислюємо масу добутого розчину:

m=m (Н₂O)+ m (KNO₃); m = 150+10=160 (г).

Розраховуємо масову частку нітрату калію в розчині:

Задача 3. У воді масою 100 г при температурі 25°С розчиняється фосфат калію К₃РО₄ масою 106 г. Розрахуйте масу фосфату калію, необхідного для приготування 20 г розчину К₃РО₄, насиченого при температурі 25°С.

Розв’язання. Маса насиченого при температурі 25 °С розчину К3РО4, який містить 100 г води, дорівнює:

m = m (К₃РО₄) + m (Н₂О); m = 106 + 100 = 206 (г).

Обчислюємо масову частку фосфату калію в насиченому при температурі 25 °С розчині:

Розраховуємо масу фосфату калію, необхідного для приготування насиченого розчину масою 20 г:

m' (К₃РО₄) = m'w(К₃РO₄); m' (К₃РО₄) = 20 ∙ 0,515= 10,3 (г).

Задача 4. Кристалогідрат нітрату феруму(ІІІ) Fe(NO₃)₃∙ 9Н₂O масою 60,6 г розчинили у воді масою 250 г. Визначте масову частку нітрату феруму(ІІІ) в добутому розчині.

Розв’язання. Маса добутого розчину становить:

m =m [Fe(NO₃)₃ • 9Н₂О]+m(Н₂O); m = 60,6 + 250 = 310,6 (г).

Визначаємо кількість речовини кристалогідрату, розчиненого у воді:

Із формули кристалогідрату випливає:

n [Fe (NO₃)₃] = n [Fe(NO₃)₃ • 9Н₂О]; n [Fe(NO₃)₃] = 0,15 (моль).

Знаходимо масу нітрату феруму(ІІІ), що міститься в розчині:

m [Fe (NO₃)₃] = n [Fe (NO₃)₃] М [Fe (NO₃)₃] ;

m [Fe (NO₃)₃] = 0,15 ∙ 242 = 36,3 (г).

Розраховуємо масову частку нітрату феруму(ІІІ) в розчині:

Задача 5. В лабораторії є розчин з масовою часткою гідроксиду натрію 25 %, густина якого дорівнює 1,27 г /мл. Розрахуйте його об’єм, який потрібно змішати з водою, щоб добути 500 мл розчину з масовою часткою NaOH 8 % (густина 1,09 г /моль).

Розв’язання. При розв’язуванні задачі позначимо величини, що стосуються вихідного розчину, індексом “1” (наприклад, m₁ — маса вихідного розчину); величини, що стосуються розчину, який потрібно приготувати,— індексом “2” (m₂ — маса розчину, який потрібно приготувати); величини, однакові для обох розчинів, індексами позначати не будемо.

Розраховуємо масу розчину NaOH, який потрібно приготувати:

m₂ = V₂ р₂ ; m₂ = 500 ∙ 1,09 = 545 (г).

Визначаємо масу чистого NaOH, який міститиметься в розчині (така сама маса гідроксиду натрію має міститися і у вихідному розчині, який буде розводитися водою):

бчислюємо масу розчину з (NaOH) = 25 %, в якому міститься гідроксид натрію масою 43,6 г:

Розраховуємо об’єм вихідного розчину NaOH, який потрібно розвести водою:

V₁ = m₁/p₁; V₁ = 174,4/1,27 ≈ 137,3 (мл).

Задача 6. До розчину хлориду натрію (об’єм 120 мл, масова частка NaCl 16 %, густина 1,12 г/мл) додали воду об’ємом 80 мл (густина води 1 г/мл). Обчисліть масову частку хлориду натрію в добутому розчині.

Розв’язання. обчислюємо масу вихідного розчину m₁ і масу води m(Н₂O), що додали:

m₁ = V₁p₁; m₁=120 • 1,12 = 134,4 (г);

m(Н₂O) = К(Н₂O) р (Н₂O); m(Н₂O) = 80 ∙1 = 80 (г).

Розраховуємо масу добутого розчину:

m₂ = m₁ + m (Н₂О); m₂ = 134,4 + 80 = 214,4 (г).

Визначаємо масу хлориду натрію, який міститься у вихідному розчині:

Маса NaCl у розчині після додавання води також дорівнюватиме 21,5 г.

Знаходимо масову частку хлориду натрію в добутому розчині:

Задача 7. Сірководень об’ємом 14 мл розчинили у воді масою 500 г (нормальні умови). Обчисліть масову частку сірководню в розчині.

Розв’язання. Визначаємо кількість речовини сірководню, розчиненого у воді:

Маса розчиненого сірководню становить: m(H₂S) = n(H₂S) M [H₂S);

m(H₂S) = 0,000 625 • 34 = 0,02125 (г).

Знаходимо масу розчину:

m = m (Н₂О) + m (H₂S); m = 500 + 0,02125 ≈ 500,02 (г). Обчислюємо масову частку сірководню в добутому розчині:

Задача 8. У склянку налили 200 мл води (густина 1 г/мл). Визначте об’єм розчину сульфату натрію (масова частка 12 %, густина 1,11 г/мл), який потрібно долити в склянку, щоб дістати розчин з масовою часткою Na₂SO₄ 2 %.

Розв’язання. Введемо позначення: m₁ — маса вихідного розчину сульфату натрію, в якому w₁(Na₂SO₄) = 12 %. Маса Na₂SO₄, що міститься в цьому розчині, становить:

Знаходимо масу води у склянці: m(Н₂O) = V(Н₂O) р (Н₂О); m(Н₂O) =   200 -1 = 200 (г).Обчислюємо масу розчину  після додавання у воду вихідного розчину сульфату натрію:

m₂ = m₁ + m(Н₂O); m₂ = (m₁ + 200) (г).

Отже, в розчині, що має масу m₂ = (m₁+ 200) г, міститься Na₂SO₄ масою 0,12 m₁ . Масова частка Na₂SO₄ в цьому розчині становить:

Розв’язавши це рівняння, знаходимо,що m₁ = 40 г. Об’єм розчину, який потрібно додати в склянку з водою, становить: V₁= m₁/p₁; V₁ = 40/1,11 = 36 (мл).

Молярна концентрація

Задача 1. Визначте молярну концентрацію розчину, добутого Внаслідок розчинення сульфату натрію масою 21,3 г у воді масою 150 г, якщо густина добутого розчину дорівнює 1,12 г /мл.

Розв’язання. Визначаємо масу добутого розчину:

m = m(Na₂SO₄) + m(Н₂О); m = 21,3 + 150 = 171,3 (г).

Обчислюємо об’єм розчину:

V= m/р; V= 171,3/1,12 =153 (мл) = 0,153 (л).

Кількість речовини розчиненого сульфату натрію становить:

олярна концентрація розчину с(В) — це відношення кількості розчиненої речовини В до об’єму розчину:с (В) = n(B)/V.Обчислюємо молярну концентрацію розчину сульфату натрію:

Задача 2. У лабораторії є розчин з масовою часткою сульфатної кислоти 5,5 % (густина 1,035 г/мл). Визначте об’єм цього розчину, який потрібний для приготування розчину 0,25 М H₂SO₄ об’ємом 300 мл.

Розв’язання. Обчислюємо кількість речовини сульфатної кислоти (100 %-го розчину), яка потрібна для приготування розчину 0,25 М H₂SO₄ об’ємом 0,3 л: n (H₂SO₄) = с (H₂SO₄) V; n (H₂SO₄) = 0,25 ∙ 0,3 = 0,075 (моль).

Маса H₂SO₄ становитиме: m (H₂SO₄) = n (H₂SO₄) М (H₂SO₄); m (H₂SO₄) = 0,075 • 98 = 7,35 (г).

Обчислюємо масу розчину з масовою часткою сульфатної кислоти 6,5 %, в якому міститься H₂SO₄ масою 7,35 г:

Визначаємо об’єм потрібного розчину:.

V=m/р; V= 133,6/1,035 ≈ 129,1 (мл).

Розрахунки за рівняннями реакцій, що відбуваються у розчинах

Задача 1. Яку масу розчину з масовою часткою гідроксиду натрію 4 % потрібно для повної нейтралізації хлоридної кислоти масою 30 г з масовою часткою НСl 5 %?

Розв’язання. Складаємо рівняння реакції, що відбувається в розчині:

НСl + NaOH = NaCl + Н₂О.

Визначаємо масу і кількість речовини хлороводню, що міститься в розчині хлоридної кислоти:

m(НСl) = mw(НСl); m(НСl) = 30 • 0,05 = 15 (г);

Із рівняння реакції випливає:

n(NaOH) = n(НСl); n(NaOH) = 0,0411 (моль).

0,0411 моль — кількість речовини гідроксиду натрію, яка потрібна для реакції.

Розраховуємо масу потрібного гідроксиду натрію:

m (NaOH) = n (NaOH) M (NaOH);

m(NaOH) = 0,0411 ∙ 40 = 1,644 (г).

Визначаємо необхідну масу m' розчину гідроксиду натрію з w(NaOH) = 0,04 (4%):

Задача 2. Який мінімальний об’єм оксиду карбону(IV) необхідно пропустити за нормальних умов через розчин масою 80 г з масовою часткою гідроксиду барію 5 %, щоб одержати гідрокарбонат барію?

Розв’язання. Записуємо рівняння реакції між гідроксидом барію і надлишком оксиду карбону(ІV):

Ва(ОН)₂ + 2СО₂ = Ва(НСО₃)₂.

Визначаємо масу гідроксиду барію, що міститься в розчині:

m [Ва(ОН)₂] = mw [Ва(ОН)₂];

m [Ва(ОН)₂] = 80 0,05 = 4 (г).

Кількість речовини гідроксиду барію становить:

Із рівняння реакції випливає:

n(СO₂) = 2n [Ва(ОН)₂];

n(СO₂) = 2 • 0,0234 = 0,00468 (моль).

Визначаємо об’єм газу за нормальних умов:

V(СO₂) = n(СO₂) • Vm,

V(СO₂) = 0,0468 • 22,4 = 1,05 (л).Задача 3. Визначити масову частку солі, яку добуто під час змішування розчину об'ємом 40 мл з масовою часткою нітратної кислоти 0,2 і густиною 1,12 г/мл з часткою гідроксиду натрію 0,15 і густиною 1,17 г/мл.

Розв’язання. Введемо позначення:

m₁ — маса; V₁ — об’єм; р₁ — густина розчину нітратної кислоти; m₂ — маса; V₂ — об’єм; р₂ — густина розчину гідроксиду натрію; m₃ — маса одержаного розчину. Записуємо рівняння реакції:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + Н₂О.

Визначаємо масу і кількість речовини HNO₃ у розчині:

m₁ = V₁p₁;

m₁ = 40 - 1,12 = 44,8 (г);

m(НNO₃) = m₁w(HNO₃);

m(HNO₃) = 44,8 ∙ 0,2 = 8,96 (г);

Аналогічно знаходимо масу і кількість речовини гідроксиду натрію в розчині:

m₂= V₂p₂;

m₂ = 36 1,17 = 42,1 (г);m(NaOH) = m₁w(NaOH);

m(NaOH) = 42,1 • 0,15 = 6,32 (г);

Із рівняння реакції випливає, що з нітратною кислотою кількістю речовини 0,142 моль реагуватиме гідроксид натрію кількістю речовини 0,142 моль, отже, NaOH взято з надміром.

Із рівняння реакції маємо:

n(NaOH) = n(HNO₃); n (NaNO₃) = 0,142 (моль).

Визначаємо масу солі, що утворилася:

m(NaNO₃ ) = n(HNO₃) M(NaNO₃);

n(NaNO₃) = 0,142 85 = 12,1 (г).

Маса добутого розчину становить:

m₃ = m₁ + m₂,

m₃ = 44,8 + 42,1 = 86,9 (г).

Визначаємо масову частку солі в добутому розчині:

Реакції обміну в розчинах електролітів

Задача 1. Реакція відбувається за рівнянням ЗВа²⁺ + 2РО^3-₄ = Ва₃(РO₄)₂ ↓.

Напишіть два різних рівняння у молекулярній формі, що відповідають цим реакціям.

озв’язання. До іонів у лівій частині вихідного рівняння допишемо іони з протилежним знаком заряду з таким коефіцієнтом, щоб можна було скласти формули речовин. При цьому враховуємо, що вихідні речовини повинні бути досить добре розчинними у воді. Потім ті самі іони з такими самими коефіцієнтами записуємо і в правій частині рівняння:

ЗВа²⁺ + 2РО^3-₄ = Ва₃(РO₄)₂ ↓;

6Сl^- + 6Н⁺ = 6Сl^- + 6Н⁺.

Об’єднуючи іони обох рівнянь в молекули, дістанемо рівняння реакції в молекулярній формі:

ЗВаСl₂ + 2Н₃РO₄ = Ва₃(РO₄)2 і + 6НСl.

Аналогічно добираємо й інші іони, що підходять:

3Ba²⁺ + 2РO^3-₄ = Ва₃(РO₄)₂ ↓;

6NO^-₃ + 6Na⁺ = 6NO^-₃ + 6Na⁺.

Дістаємо друге рівняння в молекулярній формі:

ЗВа(NО₃)₂ + 2N₃РO₄ = Ва₃(РO₄)₂ ↓ + 6NaNO₃.

Задача 2. Напишіть у молекулярній та іонній формах рівняння реакцій між хлоридом алюмінію і нітратом аргентуму. Наведіть приклад іншої реакції, суть якої виражається таким самим рівнянням, що і першої.

Розв’язання. Складаємо рівняння реакції в молекулярній формі:

АlСl₃ + ЗАgМО₃ = ЗАgСl↓ + Аl(NО₃)₃.

Зобразивши речовини, що добре дисоціюють, у вигляді іонів, одержимо іонне рівняння реакції:

Виключаємо з обох частин рівності однакові іони, тобто іони, що не беруть участі в реакції (їх підкреслено). Записуємо скорочене іонне рівняння реакції:

3Ag⁺ + ЗСl^- = 3АgСl↓ або Аg⁺ + Сl^- = АgОl.

З погляду теорії електролітичної дисоціації суть реакції, що відбиває скорочене іонне рівняння, зводиться до взаємодії іонів аргентуму з хлорид-іонами. Решта іонів участі в реакції не беруть.

Приклад іншої реакції, що виражається таким самим рівнянням у скороченій іонній формі:

Аg⁺ + Сl^- = АgСl↓;

NO³_- + Н⁺ = NO³_- + Н⁺.

Рівняння в молекулярній формі:

АglNО₃ + НСl = АgСl↓ + HNO₃.

Водневий показник

Задача 1. Приймаючи, що сульфатна кислота дисоціює повністю, визначте pH її 0,012М розчину.

Розв’язання. Запишемо рівняння повної дисоціації сульфатної кислоти на іони:

H₂SO₄ ⇆ 2Н⁺ + SO₄^2-.

Як бачимо, з 1 моль кислоти утворюється 2 моль Н⁺. Відповідно з 0,012 моль кислоти утворюється 0,024 моль Н⁺. Концентрація іонів гідрогену в розчині дорівнюватиме 0,025 моль/л. Звідси:

pH = —lg [H+]; pH = -lg 0,024 = 1,62.

Задача 2. Визначте pH 0,005 М розчину гідроксиду натрію.

Розв’язання. У розчині сильний електроліт — гідроксид натрію — повністю дисоціює на іони:

NaOH ⇆Na⁺ + ОН^-.

З 1 моль NaOH утворюється 1 моль ОН^-, а з 0,005 моль NaOH — 0,005 моль ОН^-. Отже, концентрація іонів ОН^- дорівнює 0,005 моль/л.

Знаючи величину іонного добутку води [Н⁺] [ОН^- ] = 10^-14, знаходимо концентрацію іонів гідрогену:

Одержуємо

pH = -lg [Н⁺]; pH = —lg [2 ∙ 10^-12] = 11,7.

Задача 3. Водневий показник розчину хлоридної кислоти дорівнює 2,1. Визначте концентрацію хлоридної кислоти в розчині.

Розв’язання. Позначимо концентрацію іонів гідрогену в розчині х. Тоді — lgх = 2,1 або lgх = —2,1. Перетворимо логарифм таким чином, щоб його характеристика була від’ємною, а мантиса — додатною (віднімемо 1 і додамо 1):

рН = - 2,1 = (-2 -1) + (-0,1 + 1) = — 3 + 0,9 — 3 = lg 10^-3 , 0,9 = lg8.

Звідси lgx = lg8 + lg 10^-3 = lg (8 ∙ 10^-3), тобто [H⁺ ] = 8 ∙ 10^-3 = 0,008 (моль/л).

У розчині сильна хлоридна кислота повністю дисоціює на іони:

НСl ⇆Н⁺ + Сl^-_.

1 моль іонів Н⁺ утворюється з 1 моль НСl, а 0,008 моль іонів Н⁺ утворюються з 0,008 моль НСl. Отже, концентрація хлоридної кислоти в розчині становить 0,008 моль/л.