Готовимся к олимпиадам, страница 119 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. Неорганические вещества А и В реагируют в соотношении $1 : 1$ с образованием вещества С, имеющего молярную массу $100 \text{ г/моль}$. При реакции $1 \text{ моль}$ С с $3 \text{ моль NaOH}$ образуется $2 \text{ моль H}_2\text{O}$ и эквимолярная смесь двух солей D и Е, молярные массы которых отличаются на $100 \text{ г/моль}$. Определите вещества А, В и С. Ответ подтвердите расчетом.

Дано:

Неорганические вещества А и В.

Реакция 1: $A + B \rightarrow C$

Соотношение реагентов: $\nu(A) : \nu(B) = 1 : 1$

Молярная масса вещества C: $M(C) = 100 \text{ г/моль}$

Реакция 2: $C + NaOH \rightarrow D + E + H_2O$

Количество вещества C: $\nu(C) = 1 \text{ моль}$

Количество вещества NaOH: $\nu(NaOH) = 3 \text{ моль}$

Количество вещества H₂O: $\nu(H_2O) = 2 \text{ моль}$

Продукты D и E - соли, образующиеся в эквимолярных количествах: $\nu(D) = \nu(E)$

Разница молярных масс солей D и E: $|M(E) - M(D)| = 100 \text{ г/моль}$

Найти:

Формулы веществ A, B, C.

Решение:

1. Проанализируем вторую реакцию. По условию, 1 моль вещества С реагирует с 3 моль гидроксида натрия с образованием 2 моль воды и эквимолярной смеси солей D и E. Запишем уравнение реакции в общем виде:

$C + 3NaOH \rightarrow \text{продукты}$

Так как в реакции участвует вещество С и основание NaOH с образованием воды, можно предположить, что С является кислотой. Определим количество атомов водорода в молекуле С, исходя из баланса атомов водорода. Предположим, что соли D и E не содержат водород.

Атомы H в левой части уравнения: $H(\text{в C}) + 3 \cdot H(\text{в NaOH}) = H(\text{в C}) + 3 \cdot 1 = H(\text{в C}) + 3$

Атомы H в правой части уравнения: $2 \cdot H(\text{в } H_2O) = 2 \cdot 2 = 4$

Приравнивая количество атомов водорода: $H(\text{в C}) + 3 = 4$, откуда $H(\text{в C}) = 1$. Следовательно, в одной молекуле вещества С содержится один атом водорода.

2. Определим молярные массы солей D и E. Поскольку соли D и E образуются в эквимолярной смеси, их стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции равны. Из баланса атомов натрия (3 моль в левой части) следует, что продукты D и E должны содержать 3 моль атомов натрия. Наиболее простой случай, когда образуется 1 моль соли D и 1 моль соли E.

Уравнение реакции: $C + 3NaOH \rightarrow D + E + 2H_2O$

Применим закон сохранения массы к реакции:

$m(C) + m(NaOH) = m(D) + m(E) + m(H_2O)$

Выразим массы через количества вещества и молярные массы:

$\nu(C) \cdot M(C) + \nu(NaOH) \cdot M(NaOH) = \nu(D) \cdot M(D) + \nu(E) \cdot M(E) + \nu(H_2O) \cdot M(H_2O)$

Подставим известные значения ($M(NaOH) = 40 \text{ г/моль}$, $M(H_2O) = 18 \text{ г/моль}$):

$1 \cdot 100 + 3 \cdot 40 = 1 \cdot M(D) + 1 \cdot M(E) + 2 \cdot 18$

$100 + 120 = M(D) + M(E) + 36$

$220 = M(D) + M(E) + 36$

$M(D) + M(E) = 184$

Мы получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными:

$\begin{cases} M(E) - M(D) = 100 \\ M(E) + M(D) = 184 \end{cases}$

Сложив два уравнения, получим: $2M(E) = 284$, откуда $M(E) = 142 \text{ г/моль}$.

Тогда $M(D) = M(E) - 100 = 142 - 100 = 42 \text{ г/моль}$.

3. Идентифицируем соли D и E. Это соли натрия. Суммарно они содержат 3 атома натрия. Логично предположить, что одна соль содержит 1 атом Na, а другая - 2.

Для соли D с $M(D) = 42 \text{ г/моль}$ предположим формулу $NaX$.

$M(NaX) = M(Na) + M(X) = 23 + M(X) = 42 \implies M(X) = 19 \text{ г/моль}$. Анион с такой молярной массой - фторид-ион $F^-$. Значит, соль D - это фторид натрия, $NaF$.

Для соли E с $M(E) = 142 \text{ г/моль}$ предположим формулу $Na_2Y$.

$M(Na_2Y) = 2 \cdot M(Na) + M(Y) = 2 \cdot 23 + M(Y) = 46 + M(Y) = 142 \implies M(Y) = 96 \text{ г/моль}$. Анион с такой молярной массой - сульфат-ион $SO_4^{2-}$. ($M(S) + 4 \cdot M(O) = 32 + 4 \cdot 16 = 96$). Значит, соль E - это сульфат натрия, $Na_2SO_4$.

4. Определим состав и формулу вещества С. Запишем уравнение реакции с установленными продуктами:

$C + 3NaOH \rightarrow NaF + Na_2SO_4 + 2H_2O$

Определим элементный состав С по балансу атомов. В левой части должны присутствовать все элементы из правой части, кроме тех, что входят в состав NaOH. В правой части находятся: 3 Na, 1 F, 1 S, $4+2=6$ O, $2 \cdot 2=4$ H. В 3NaOH содержатся: 3 Na, 3 O, 3 H. Следовательно, в веществе С должны содержаться: $(3-3)=0$ Na, 1 F, 1 S, $(6-3)=3$ O, $(4-3)=1$ H. Таким образом, формула вещества С - $HSO_3F$. Это фторсульфоновая кислота.

Проверим ее молярную массу:

$M(HSO_3F) = Ar(H) + Ar(S) + 3 \cdot Ar(O) + Ar(F) = 1 + 32 + 3 \cdot 16 + 19 = 100 \text{ г/моль}$.

Полученное значение совпадает с данным в условии, что подтверждает правильность наших выводов.

5. Определим вещества А и В. По условию, неорганические вещества А и В реагируют в соотношении 1:1 с образованием С ($HSO_3F$).

$A + B \rightarrow HSO_3F$

Фторсульфоновую кислоту получают в промышленности реакцией триоксида серы ($SO_3$) с фтороводородом ($HF$):

$SO_3 + HF \rightarrow HSO_3F$

Эта реакция полностью удовлетворяет условиям задачи: реагенты А и В ($SO_3$ и $HF$) являются неорганическими и реагируют в мольном соотношении 1:1.

Ответ:

Вещество А - $SO_3$ (триоксид серы), вещество B - $HF$ (фтороводород) (или наоборот).

Вещество С - $HSO_3F$ (фторсульфоновая кислота).