Готовимся к олимпиадам, страница 60 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. Растворение осадка гидроксида железа(III) массой 267,5 г в азотной кислоте привело к высвобождению ионов железа. Составьте уравнение реакции в молекулярной и ионной формах. Рассчитайте химическое количество ионов железа и массу соли в растворе. Подумайте, можно ли решить задачу, не прибегая к уравнению химической реакции.

Уравнения реакции

Реакция между гидроксидом железа(III) и азотной кислотой является реакцией нейтрализации, в результате которой образуются соль (нитрат железа(III)) и вода.

Молекулярное уравнение:

$$ Fe(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + 3H_2O $$

Ионные уравнения:

Полное ионное уравнение (учитывая, что $Fe(OH)_3$ - нерастворимый осадок, $HNO_3$ - сильная кислота, а $Fe(NO_3)_3$ - растворимая соль):

$$ Fe(OH)_3(тв) + 3H^+ + 3NO_3^- \rightarrow Fe^{3+} + 3NO_3^- + 3H_2O(ж) $$

Сокращенное ионное уравнение (после исключения ионов-наблюдателей $NO_3^-$):

$$ Fe(OH)_3(тв) + 3H^+ \rightarrow Fe^{3+} + 3H_2O(ж) $$

Расчет химического количества ионов железа и массы соли

Дано:

$m(Fe(OH)_3) = 267,5 \text{ г}$

В системе СИ:

$m(Fe(OH)_3) = 0,2675 \text{ кг}$

Найти:

$n(Fe^{3+})$ - ?

$m(Fe(NO_3)_3)$ - ?

Решение:

1. Найдем молярную массу гидроксида железа(III) ($Fe(OH)_3$), используя округленные атомные массы: $Ar(Fe) = 56$, $Ar(O) = 16$, $Ar(H) = 1$.

$$ M(Fe(OH)_3) = 56 + 3 \cdot (16 + 1) = 56 + 51 = 107 \text{ г/моль} $$

2. Рассчитаем химическое количество (количество вещества) $Fe(OH)_3$.

$$ n(Fe(OH)_3) = \frac{m(Fe(OH)_3)}{M(Fe(OH)_3)} = \frac{267,5 \text{ г}}{107 \text{ г/моль}} = 2,5 \text{ моль} $$

3. Определим химическое количество ионов железа $Fe^{3+}$. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $Fe(OH)_3$ образуется 1 моль ионов $Fe^{3+}$. Следовательно, их количества равны.

$$ n(Fe^{3+}) = n(Fe(OH)_3) = 2,5 \text{ моль} $$

Ответ: химическое количество ионов железа $Fe^{3+}$ составляет 2,5 моль.

4. Рассчитаем массу образовавшейся соли нитрата железа(III) ($Fe(NO_3)_3$). Сначала найдем ее молярную массу ($Ar(N) = 14$).

$$ M(Fe(NO_3)_3) = 56 + 3 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 56 + 3 \cdot 62 = 242 \text{ г/моль} $$

5. Химическое количество образовавшейся соли равно химическому количеству исходного гидроксида железа(III), так как в каждой формульной единице содержится по одному атому железа.

$$ n(Fe(NO_3)_3) = n(Fe(OH)_3) = 2,5 \text{ моль} $$

6. Найдем массу соли.

$$ m(Fe(NO_3)_3) = n(Fe(NO_3)_3) \cdot M(Fe(NO_3)_3) = 2,5 \text{ моль} \cdot 242 \text{ г/моль} = 605 \text{ г} $$

Ответ: масса соли $Fe(NO_3)_3$ в растворе составляет 605 г.

Возможность решения задачи без уравнения реакции

Да, задачу можно решить, не составляя полное сбалансированное уравнение реакции. Это возможно на основании закона сохранения массы атомов железа.

Чтобы рассчитать химическое количество ионов железа ($n(Fe^{3+})$), достаточно знать, что в одной формульной единице исходного вещества $Fe(OH)_3$ содержится один атом железа, который при реакции переходит в один ион $Fe^{3+}$. Таким образом, $n(Fe^{3+}) = n(Fe(OH)_3)$. Для этого расчета нужно лишь вычислить количество вещества $Fe(OH)_3$, зная его массу и молярную массу.

Чтобы рассчитать массу соли, нужно определить ее формулу. Зная, что реагируют гидроксид железа(III) (источник ионов $Fe^{3+}$) и азотная кислота (источник нитрат-ионов $NO_3^-$), можно составить формулу соли — $Fe(NO_3)_3$. Поскольку и в исходном веществе, и в продукте на один атом железа приходится одна формульная единица, их химические количества равны: $n(Fe(NO_3)_3) = n(Fe(OH)_3)$. Далее масса соли вычисляется через ее молярную массу.

Таким образом, для решения задачи не требуется знать стехиометрические коэффициенты для азотной кислоты и воды, то есть не нужно составлять и балансировать полное уравнение реакции.

Ответ: да, задачу можно решить, не прибегая к полному уравнению химической реакции, основываясь на законе сохранения вещества для атомов железа и зная формулы исходного вещества и продукта.