1.7. Электрохимический ряд активности металлов

П

Металл вытесняет из водных растворов солей другие металлы, стоящие правее его в электрохимическом ряду активности.

Исключение составляют щелочные и щелочноземельные металлы, которые при обычных условиях реагируют с водой и вытесняют водород и поэтому не могут вытеснить другой металл, стоящий в ряду активности до водорода.

ример 65. В 192 мл раствора нитрата свинца(II) с массовой долей соли 30% и плотностью 1,15 г/мл опустили цинковую пластинку массой 100 г. Через некоторое время пластинку вынули, промыли водой, высушили и взвесили. Ее масса оказалась равной 121,3 г. Определите массовые доли веществ в оставшемся растворе.

Решение:

1. Цинк, как более активный металл вытесняет из растворенной соли свинец, который оседает на пластинке. Таким образом, изменение массы пластинки представляет собой разницу между массой осевшего на пластинку свинца и массой цинка, перешедшего в раствор. Определяем это изменение массы:

m = 121,3 – 100 = 21,3 г.

2. Определяем массу исходного раствора и количество вещества содержавшегося в нем нитрата свинца:

m(исходного раствора) = 192 · 1,15 = 220,8 г.

n[Pb(NO₃)₂] = 220,8 · 0,3 / 331 = 0,2 моль.

3. Поскольку нам неизвестно, весь ли свинец был вытеснен из раствора, обозначим количество вытесненного из раствора свинца за х и запишем уравнение химической реакции:

Было: 0,2 избыток

Pb(NO₃)₂ + Zn  Zn(NO₃)₂ + Pb + [Pb(NO₃)₂]

Прореагировало: х х стало: х х 0,2 – х

m = m(Pb) – m(Zn) = 207х – 65х = 142х; 142х = 21,3; х = 0,15.

Таким образом, в растворе появилось 0,15 моль нитрата цинка и осталось 0,2 – 0,15 = 0,05 моль нитрата свинца.

4. Определяем массу конечного раствора и массовые доли содержащегося в нем веществ:

Масса раствора уменьшилась ровно на столько, насколько увеличилась масса пластинки, поэтому

m(конечного раствора) = 220,8 – 21,3 = 199,5 г.

m[Zn(NO₃)₂ в конечном растворе] = 0,15 · 189 = 28,35 г.

m[Pb(NO₃)₂ в конечном растворе] = 0,05 · 331 = 16,55 г.

[Zn(NO₃)₂ в конечном растворе] = 28,35 / 199,5 = 0,142.

[Pb(NO₃)₂ в конечном растворе] = 16,55 / 199,5 = 0,083.

Ответ: [Zn(NO₃)₂ в конечном растворе] = 14,2%; [Pb(NO₃)₂ в конечном растворе] = 8,3%.

Пример 66. В 60 мл раствора с плотностью 1,182 г/мл, содержащего нитрат свинца(II) и нитрат меди(II) с массовыми долями 16,34 и 2,65 % соответственно, насыпали 5,6 г железных опилок. Через некоторое время раствор отфильтровали. Масса твердых веществ составила 8,7 г. Определите массовые доли веществ в полученном растворе.

Решение:

1. Определяем количества исходных веществ:

m(исходного раствора) = 60 ∙ 1,182 = 70,92 г.

nPb(NO₃)₂] = 70,92 ∙ 0,1634 / 331 = 0,035 моль. n[Cu(NO₃)₂] = 70,92 ∙ 0,0265 / 188 = 0,01 моль.

n(Fe) = 5,6 / 56 = 0,1 моль.

2. Сначала железо вытесняет менее активный металл, т.е. медь:

Было: 0,1 0,01

Fe + Cu(NO₃)₂  Cu + Fe(NO₃)₂ + (Fe) (1)

Прореагировало: 0,0 0,01 стало: 0,01 0,01 0,09

m(твердых веществ в этой реакции) = m(выделившейся меди) – m(растворившегося железа). Если медь выделилась полностью, то m = 0,01 ∙ 64 – 0,01 ∙ 56 = 0,08 г.

3. Согласно условию задачи изменение массы твердых веществ составило 8,7 – 5,6 = 3,1 г. Следовательно, первая реакция прошла полностью, и затем началось вытеснение свинца:

Fe + Pb(NO₃)₂  Pb  + Fe(NO₃)₂ (2)

Изменение массы твердых веществ в результате этой реакции составило 3,1 – 0,08 = 3,02 г. Если бы вторая реакция прошла полностью (железо имеется в избытке), то изменение массы в результате ее составило 207 ∙ 0,035 – 56 ∙ 0,035 = 5,285 г, что больше изменения массы согласно условию задачи. Таким образом, вторая реакция прошла не до конца. Допустим, выделилось х моль свинца, тогда m = 207х – 56х = 151х. 151х = 3,02. х = 3,02 / 151 = 0,02 моль.

Было: 0,09 0,035

Fe + Pb(NO₃)₂  Pb + Fe(NO₃)₂ + [Pb(NO₃)₂] + (Fe) (2)

Прореагировало: 0,02 0,02 стало: 0,02 0,02 0,015 0,07

4. Рассчитываем массовые доли веществ в полученном растворе:

m[Fe(NO₃)₂] = (0,01 + 0,02) ∙ 180 = 5,4 г. m[Pb(NO₃)₂] = 0,015 ∙ 331 = 4,965 г.

m(конечного раствора) = 70,92 – 3,1 = 67,82 г.

[Fe(NO₃)₂] = 5,4 / 67,82 = 0,0796. [Pb(NO₃)₂] = 4,965 / 67,82 = 0,0732.

Ответ: [Fe(NO₃)₂] = 7,96%; [Pb(NO₃)₂] = 7,32%.

Задачи для самостоятельного решения

106. 40 г порошка магния поместили в раствор сульфата цинка массой 596 г. Через некоторое время металлический порошок отделили от раствора, высушили и взвесили. Масса порошка оказалась равной 56 г. Определите массовую долю сульфата магния в растворе, оставшемся после отделения металлического порошка.

107. В раствор, содержащий нитрат железа(II) и нитрат железа(III) с равными молярными концентрациями опустили цинковую пластинку массой 6,5 г. После окончания химических реакций масса пластинки стала равна 5,995 г. Пластинку вынули из раствора, и растворили при нагревании в 286,5 мл раствора серной кислоты с массовой долей кислоты 95% и плотностью 1,8 г/мл. Определите объем выделившегося при этом газа (н.у.) и массовые доли веществ в полученном растворе.

108. Цинковую пластинку массой 6,5 г опустили в раствор, содержащий нитрат железа(II) и нитрат железа(III), объемом 100 мл и плотностью 1,1 г/мл. После окончания химических реакций масса пластинки уменьшилась до 5,905 г. Пластинку вынули из раствора, и растворили при нагревании в избытке концентрированной серной кислоты, в результате чего выделилось 2,464 л газа (н.у.). Определите молярные концентрации и массовые доли веществ в исходном растворе нитратов железа.

109. В 40 мл раствора с плотностью 1,25 г/мл, содержащего 10% (по массе) нитрата натрия, нитрат серебра и нитрат меди погрузили цинковую пластинку массой 9,75 г. После окончания всех реакций массовая доля нитрата натрия в растворе увеличилась до 10,81%. Пластинку вынули из раствора, и обработали избытком соляной кислоты, в результате чего выделилось 2,128 л газа (н.у.). Определите массовые доли нитрата меди и нитрата серебра в исходном растворе.

110. В раствор, содержащий смесь хлорида железа(II) и хлорида железа(III), в котором концентрации двух солей равны между собой, насыпали 4,55 г цинкового порошка. После окончания химических реакций масса осадка оказалась равной 3,54 г. Осадок отфильтровали, и поместили в раствор сульфата меди массой 40 г. Определите молярные концентрации веществ в конечном растворе после окончания всех химических реакций, если известно, что его плотность равна 1,1 г/мл, а масса осадка стала 3,68 г.

111. В 400 мл раствора с плотностью 1,25 г/мл, содержащего нитрат меди с массовой долей 18,8 % и нитрат серебра с массовой долей 10,2 % насыпали 100 г железных опилок. Через некоторое время раствор отфильтровали. Масса твердых веществ стала 128,4 г. Определите массовые доли веществ в полученном растворе. Учтите, что в реакции с ионами меди образуются ионы железа +2, а при реакции с ионами серебра образуются ионы железа +3.

112. Цинковую пластину поместили в раствор сульфата железа(II). Через некоторое время масса пластины уменьшилась на 1,91%. На сколько процентов изменится масса точно такой же пластины, если ее погрузить в раствор нитрата ртут (II), при условии, что изменение количества вещества нитрата ртути(II) в растворе будет в 2 раза больше, чем изменение количества вещества сульфата желез (II) в первом случае.

113. В 60 мл раствора хлорида ртут (II) с массовой долей соли 0,06 и плотностью 1,133 г/мл насыпали 2,7 г алюминиевых опилок и выдерживали до окончания химических реакций. Определите массы веществ, выделившихся из раствора и массовую долю вещества в полученном растворе.