Пятачок и Винни-Пух решили порадовать ослика Иа-Иа, у которого болел живот, и приготовить ему в подарок белую магнезию. Вооружившись практикумом по неорганической химии, они узнали, что для получения белой магнезии необходимо смешать растворы хлорида магния и карбоната натрия.
Пятачок подошёл к вопросу ответственно, взвесил декагидрат карбоната натрия (53.451 г) растворил его в воде, довел объём раствора в мерной колбе до 100мл, затем взвесил гексагидрат хлорида магния (39.873 г) и приготовил 100 мл его раствора в мерной колбе. Затем он смешал полученные растворы (р-ция 1), отфильтровал, промыл и высушил выпавший осадок вещества Х.
Винни-Пух хотел всё сделать аккуратно и даже взвесил 38.157 г гексагидрата хлорида магния, но возня с мерными колбами ему не нравилась. Он взял две банки из-под мёда (Пятачок настоял, и Винни пришлось их помыть) в одну из них насыпал навеску хлорида магния, а в другую ложкой насыпал карбонат натрия, залил водой, размешал чайной ложкой и перелил раствор карбоната натрия к раствору хлорида магния (р-ция 1). Пятачок удивился, но у Винни-Пуха выпал осадок, который тоже оказался веществом Х.
После фильтрования и промывания осадка Винни заскучал и отправился к Кролику инспектировать его запасы мёда, а Пятачок остался в лаборатории, взвесил осадки и обнаружил, что у Винни-Пуха получилось больше вещества. Сначала Пятачок проанализировал осадки. При прокаливании 0.468 г высушенного вещества X (р–ция 2) образуется 97.4 мл углекислого газа (p = 105 Па, T = 20 оC) и 0.090 г воды.
Затем он нагрел свой фильтрат, из прозрачного раствора выпал осадок вещества Y, и выделился газ (р–ция 3). При нагревании фильтрата ВинниПуха газ выделялся, но осадок не выпадал (р–ция 4). Это озадачило Пятачка, он отделил осадок и высушил его. Затем прокалил 0.365 г полученного Y (р-ция 5), в результате чего образовалось – 64.3 мл (p = 105 Па, T = 20 оC) газа и 0.143 г воды.
1. Определите молярные концентрации карбоната натрия и хлорида магния в растворах, приготовленных Пятачком.
Для определения молярных концентраций достаточно поделить количество вещества на объём раствора:
Аналогично,
2. Определите вещества X и Y, состав подтвердите расчётом
При разложении Х выделяются CO2 и H2O. Определим их количества:
Для расчета в системе СИ мл необходимо перевести в м3, т.е. разделить на 106, тогда ответ будет в моль.
Если предположить, что в осадок выпал карбонат магния, то твердый остаток прокаливания – это оксид магния, вычислим его массу:
X – это основный карбонат магния состава 5MgO$\cdot\cdot\cdot\cdot$ 4H2O или Mg5(CO3)4(OH)2$\cdot$4H2O
Повторим те же вычисления для Y:
Y - это карбонат магния состава MgOCO2$\cdot\cdot$3H2O
3. Запишите реакции 1 – 5. Реакции 1 и 3 запишите в полной молекулярной и сокращённой ионной форме.
В сокращенной ионной форме уравнения реакции записываются одинаково:
В сокращенной ионной форме уравнения реакции записываются одинаково:
4. Определите массовые доли веществ в растворах, которые готовил Пятачок:
a. над осадком Х;
b. в фильтрате после нагревания и выпадения осадка Y.
Считайте, что все реакции протекают количественно, упариванием раствора можно пренебречь, а плотности исходных растворов карбоната натрия и хлорида магния равны 1.187 г/мл и 1.141 г/мл, соответственно.
Для определения массовых долей вычислим массы исходных растворов:
Согласно расчетам в п. 1 в недостатке находится карбонат натрия. Из уравнения р-ции 1 видно, что
Таким образом, масса раствора:
При нагревании раствора гидрокарбонат-ион разлагается, при этом раствор насыщается углекислым газом, благодаря чему подавляется гидролиз катиона магния и выделяется средний карбонат магния. Количество осадка Y определяется гидрокарбонат-ионом в растворе:
Масса раствора после кипячения:
При определении массовых долей веществ в растворе необходимо понимать, что соли в растворе полностью диссоциируют. Рассмотрим два варианта.
В соответствии с уравнениями 1а и 3а:
В растворе над осадком гидроксокарбоната магния присутствуют MgCl2, NaCl и Mg(HCO3)2, их массовые доли равны 0.41%, 10.1% и 2.09%, соответственно.
В растворе после нагревания и выделения осадка карбоната магния присутствуют только MgCl2, NaCl, из-за уменьшения массы раствора их массовые доли увеличились 0.42% и 10.27%, соответственно.
В соответствии с уравнениями 1б и 3б:
В растворе над осадком гидроксокарбоната магния присутствуют MgCl2, NaCl и NaHCO3, их массовые доли равны 1.76%, 8.34% и 2.40%, соответственно.
В растворе после нагревания и выделения осадка карбоната магния присутствуют только MgCl2, NaCl, их массовые доли 0.42% и 10.27%, соответственно.
5. Объясните с чем связаны различия в опытах, проведенных Пятачком и Винни-Пухом.
Как видно в сокращенной ионной форме реакции 1 взаимодействие между карбонатом натрия и катионами магния протекает в соотношении 6 : 5, в опыте Пятачка в растворе после выделения осадка остались катионы магния, при кипячении гидрокарбонат-ионы разлагаются:
и из-за повышения концентрации карбонат-ионов образуется осадок карбоната магния.
В опыте Винни-Пуха, судя по наблюдениям, магний полностью перешел в осадок, об этом говорит бОльшая масса осадка, чем у Пятачка и отсутствие осадка после нагревания фильтрата. Т.е. в опыте Винни-Пуха в избытке был не хлорид магния, а карбонат.
Следует отметить, что магний образует также гидроксокарбонат Mg(CO3)(OH)2$\cdot\cdot$4H2O.