Готовимся к олимпиадам, страница 56 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. В трех одинаковых колбах находятся растворы серной, азотной и фтороводородной кислот, химические количества которых равны по 0,1 моль. Число ионов в первой колбе меньше, чем во второй, а в третьей — в несколько десятков раз меньше, чем в первой. Определите, в каких колбах находятся фтороводородная и азотная кислоты.

Дано:

В трех одинаковых колбах находятся растворы серной кислоты ($H_2SO_4$), азотной кислоты ($HNO_3$) и фтороводородной (плавиковой) кислоты ($HF$).

Химическое количество каждой кислоты: $n(H_2SO_4) = n(HNO_3) = n(HF) = 0,1 \text{ моль}$.

Пусть $N_1, N_2, N_3$ - число ионов в первой, второй и третьей колбах соответственно.

Условия: $N_1 < N_2$ и $N_3$ в несколько десятков раз меньше, чем $N_1$.

Найти:

Определить, в каких колбах находятся фтороводородная и азотная кислоты.

Решение:

Число ионов, образующихся в растворе, зависит от силы кислоты (степени ее диссоциации) и от её основности (количества ионов водорода, которое может отдать одна молекула). Проанализируем диссоциацию каждой кислоты.

Серная кислота ($H_2SO_4$) является сильной двухосновной кислотой. Её диссоциация проходит в две ступени:

I ступень: $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$ (протекает полностью)

II ступень: $HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$ (протекает частично)

Из 0,1 моль $H_2SO_4$ уже по первой ступени образуется 0,1 моль ионов $H^+$ и 0,1 моль ионов $HSO_4^-$, что в сумме составляет 0,2 моль ионов. За счет частичной диссоциации гидросульфат-иона на второй ступени общее количество ионов в растворе будет больше 0,2 моль. Таким образом, $n_{ионов}(H_2SO_4) > 0,2 \text{ моль}$.

Азотная кислота ($HNO_3$) является сильной одноосновной кислотой. Она диссоциирует в воде практически нацело на два иона:

$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Следовательно, из 0,1 моль кислоты образуется 0,1 моль ионов $H^+$ и 0,1 моль ионов $NO_3^-$. Общее химическое количество ионов составляет ровно $n_{ионов}(HNO_3) = 0,1 + 0,1 = 0,2 \text{ моль}$.

Фтороводородная кислота ($HF$) является слабой одноосновной кислотой. Она диссоциирует в воде обратимо и лишь в незначительной степени:

$HF \rightleftharpoons H^+ + F^-$

Поскольку степень ее диссоциации $\alpha$ мала ($\alpha \ll 1$), из 0,1 моль кислоты образуется значительно меньше 0,2 моль ионов. Общее количество ионов будет равно $n_{ионов}(HF) = 2 \times n_{продиссоц.} = 2 \times (0,1 \times \alpha) = 0,2\alpha \text{ моль}$. Следовательно, $n_{ионов}(HF) \ll 0,2 \text{ моль}$.

Таким образом, мы можем расположить кислоты в порядке возрастания количества ионов в их растворах при равных исходных химических количествах:

$HF < HNO_3 < H_2SO_4$

Теперь сопоставим этот ряд с условиями задачи для колб. Из условий $N_1 < N_2$ и того, что число ионов в третьей колбе ($N_3$) в десятки раз меньше, чем в первой ($N_1$), следует, что в колбе 3 наименьшее число ионов. Порядок возрастания числа ионов по колбам следующий: $N_3 < N_1 < N_2$.

Сопоставляя ряды количеств ионов, получаем однозначное соответствие:

• Колба 3 (наименьшее число ионов) — раствор фтороводородной кислоты ($HF$).
• Колба 1 (среднее число ионов) — раствор азотной кислоты ($HNO_3$).
• Колба 2 (наибольшее число ионов) — раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).

Ответ: Фтороводородная кислота находится в третьей колбе, а азотная кислота — в первой колбе.