Номер 659, страница 146 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

659. При окислении 100 г раствора формальдегида и этанола в воде избытком $KMnO_4$, подкисленного серной кислотой, получили 30 г карбоновой кислоты и газ, который с избытком $Ba(OH)_2$ дает 20 г осадка. Определите массовые доли веществ в исходном растворе.

Дано:

$m(раствора) = 100 \text{ г}$

$m(\text{карбоновой кислоты}) = 30 \text{ г}$

$m(\text{осадка}) = 20 \text{ г}$

Найти:

$ω(\text{HCHO}) - ?$

$ω(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) - ?$

$ω(\text{H}_2\text{O}) - ?$

Решение:

В исходном растворе содержатся формальдегид (HCHO), этанол ($C_2H_5OH$) и вода. При окислении этой смеси избытком перманганата калия в кислой среде происходят следующие реакции:

1. Окисление этанола до уксусной кислоты (карбоновая кислота):

$5\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 4\text{KMnO}_4 + 6\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 5\text{CH}_3\text{COOH} + 4\text{MnSO}_4 + 2\text{K}_2\text{SO}_4 + 11\text{H}_2\text{O}$

2. Окисление формальдегида до углекислого газа (газ):

$5\text{HCHO} + 4\text{KMnO}_4 + 6\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 5\text{CO}_2 \uparrow + 4\text{MnSO}_4 + 2\text{K}_2\text{SO}_4 + 11\text{H}_2\text{O}$

Выделившийся углекислый газ реагирует с избытком гидроксида бария с образованием осадка — карбоната бария:

$\text{CO}_2 + \text{Ba(OH)}_2 \rightarrow \text{BaCO}_3 \downarrow + \text{H}_2\text{O}$

Сначала определим количество вещества и массу формальдегида по массе образовавшегося осадка.

Вычислим молярную массу карбоната бария ($BaCO_3$):

$M(\text{BaCO}_3) = 137 + 12 + 3 \cdot 16 = 197 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества карбоната бария:

$n(\text{BaCO}_3) = \frac{m(\text{BaCO}_3)}{M(\text{BaCO}_3)} = \frac{20 \text{ г}}{197 \text{ г/моль}} \approx 0,1015 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции $\text{CO}_2 + \text{Ba(OH)}_2 \rightarrow \text{BaCO}_3 + \text{H}_2\text{O}$, количество вещества углекислого газа равно количеству вещества карбоната бария:

$n(\text{CO}_2) = n(\text{BaCO}_3) \approx 0,1015 \text{ моль}$

Из уравнения окисления формальдегида следует, что $n(\text{HCHO}) = n(\text{CO}_2) \approx 0,1015 \text{ моль}$.

Вычислим молярную массу формальдегида (HCHO):

$M(\text{HCHO}) = 12 + 2 \cdot 1 + 16 = 30 \text{ г/моль}$

Найдем массу формальдегида в исходном растворе:

$m(\text{HCHO}) = n(\text{HCHO}) \cdot M(\text{HCHO}) = 0,1015 \text{ моль} \cdot 30 \text{ г/моль} = 3,045 \text{ г}$

Теперь определим количество вещества и массу этанола по массе образовавшейся карбоновой кислоты (уксусной кислоты, $CH_3COOH$).

Вычислим молярную массу уксусной кислоты:

$M(\text{CH}_3\text{COOH}) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 60 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества уксусной кислоты:

$n(\text{CH}_3\text{COOH}) = \frac{m(\text{CH}_3\text{COOH})}{M(\text{CH}_3\text{COOH})} = \frac{30 \text{ г}}{60 \text{ г/моль}} = 0,5 \text{ моль}$

Из уравнения окисления этанола следует, что $n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = n(\text{CH}_3\text{COOH}) = 0,5 \text{ моль}$.

Вычислим молярную массу этанола ($C_2H_5OH$):

$M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46 \text{ г/моль}$

Найдем массу этанола в исходном растворе:

$m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) \cdot M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 0,5 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} = 23 \text{ г}$

Теперь мы можем определить массовые доли веществ в исходном 100 г растворе.

Массовая доля формальдегида:

$ω(\text{HCHO}) = \frac{m(\text{HCHO})}{m(\text{раствора})} = \frac{3,045 \text{ г}}{100 \text{ г}} = 0,03045 \text{ или } 3,045\%$

Массовая доля этанола:

$ω(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})}{m(\text{раствора})} = \frac{23 \text{ г}}{100 \text{ г}} = 0,23 \text{ или } 23\%$

Оставшаяся часть раствора — это вода. Найдем ее массу:

$m(\text{H}_2\text{O}) = m(\text{раствора}) - m(\text{HCHO}) - m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 100 \text{ г} - 3,045 \text{ г} - 23 \text{ г} = 73,955 \text{ г}$

Массовая доля воды:

$ω(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{m(\text{раствора})} = \frac{73,955 \text{ г}}{100 \text{ г}} = 0,73955 \text{ или } 73,955\%$

Ответ: Массовая доля формальдегида в исходном растворе составляет $3,045\%$, массовая доля этанола — $23\%$, массовая доля воды — $73,955\%$.