Графики массы осадка
Осадок растёт и растворяется
В задачах на осаждение часто требуется установить, как меняется масса осадка по мере добавления реагента. Осадок может сначала образовываться, а затем растворяться в избытке того же реагента. Поэтому график рассматривают по участкам: для каждого участка определяют, какие реакции протекают и как они изменяют массу осадка.
scienceТри характерных случая образования и растворения осадка
- \(\ce{AlCl3 + 3NaOH -> Al(OH)3 v + 3NaCl}\), затем \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\) — при добавлении щёлочи к раствору хлорида алюминия сначала образуется осадок, который затем растворяется. Масса осадка максимальна при отношении количества щёлочи к исходному количеству соли 3 : 1; при отношении 4 : 1 осадок исчезает.
- \(\ce{ZnSO4 + 2NaOH -> Zn(OH)2 v + Na2SO4}\), затем \(\ce{Zn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Zn(OH)4]}\) — при добавлении щёлочи к раствору сульфата цинка осадок сначала накапливается, а затем растворяется. Максимум соответствует отношению 2 : 1, исчезновение осадка — отношению 4 : 1.
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\), затем \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — при пропускании углекислого газа через известковую воду сначала образуется карбонат кальция, а в избытке газа он растворяется. Максимум соответствует отношению 1 : 1, исчезновение осадка — отношению 2 : 1.
По таким графикам можно определить не только состав осадка, но и количество реагента, при котором меняется ход процесса. Точки, где меняется наклон графика, называют точками излома. Горизонтальный участок, на котором масса осадка остаётся постоянной, называют плато.
errorВлияние порядка сливания растворов
Если по каплям добавлять соль алюминия в щёлочь, сначала щёлочь находится в избытке и образуется растворимый алюминат: \(\ce{AlCl3 + 4NaOH -> Na[Al(OH)4] + 3NaCl}\). Поэтому осадок вначале не появляется. Когда количество добавленной соли составляет четверть исходного количества щёлочи, достигается отношение 1 : 4 и щёлочь оказывается израсходованной. Следующая порция соли реагирует с образовавшимся алюминатом, поэтому выпадает осадок: \(\ce{3[Al(OH)4]- + Al^3+ -> 4Al(OH)3 v}\). В отличие от добавления щёлочи к соли, этот график начинается горизонтальным участком при нулевой массе осадка.
boltКак определить участки графика
Количество добавленного реагента удобно выражать в молях на 1 моль ионов металла: тогда точки излома приходятся на целые числа, например 3 и 4 для солей алюминия. На один моль соли алюминия приходится 3 моля щёлочи в точке максимума и 4 моля при исчезновении осадка; для соли цинка соответствующие количества равны 2 и 4 молям. На каждом участке масса осадка линейно зависит от количества добавленного реагента.
Последовательные превращения
Тот же способ применяют, если реагент добавляют к раствору, в котором уже находится растворимое соединение металла. Например, при добавлении кислоты к алюминату сначала вновь образуется осадок: \(\ce{Na[Al(OH)4] + HCl -> Al(OH)3 v + NaCl + H2O}\). После добавления 1 эквивалента кислоты, то есть одного моля на моль алюмината, масса осадка достигает максимума. Затем кислота растворяет гидроксид: \(\ce{Al(OH)3 + 3HCl -> AlCl3 + 3H2O}\). Для исчезновения осадка требуется ещё 3 эквивалента кислоты.
При пропускании углекислого газа через раствор алюмината осадок тоже образуется: \(\ce{Na[Al(OH)4] + CO2 -> Al(OH)3 v + NaHCO3}\). Однако в избытке углекислого газа \(\ce{Al(OH)3}\) не растворяется, поскольку угольная кислота слишком слаба для его растворения. Поэтому после осаждения график выходит на плато.
Если щёлочь добавляют к смеси \(\ce{MgCl2}\) и \(\ce{AlCl3}\), изменение массы осадка отражает поведение обоих катионов. Пока образуются гидроксиды магния и алюминия, общая масса осадка возрастает. Затем в избытке щёлочи растворяется только \(\ce{Al(OH)3}\), поэтому масса уменьшается. Оставшийся осадок \(\ce{Mg(OH)2}\) соответствует конечному плато.
scienceДругие превращения, вызывающие изломы графика
- \(\ce{Na2[Zn(OH)4] + 2HCl -> Zn(OH)2 v + 2NaCl + 2H2O}\), затем \(\ce{Zn(OH)2 + 2HCl -> ZnCl2 + 2H2O}\) — при добавлении кислоты к цинкату сначала образуется осадок гидроксида цинка, а дальнейшее добавление кислоты приводит к его растворению.
- \(\ce{Ba(OH)2 + CO2 -> BaCO3 v + H2O}\), затем \(\ce{BaCO3 + CO2 + H2O -> Ba(HCO3)2}\) — при пропускании углекислого газа через раствор гидроксида бария сначала выпадает карбонат, а в избытке газа он растворяется.
- \(\ce{AgNO3 + NH3 + H2O -> AgOH v + NH4NO3}\) (бурый \(\ce{Ag2O}\)), затем \(\ce{AgOH + 2NH3 -> [Ag(NH3)2]OH}\) — эти уравнения условно показывают образование осадка и его растворение в избытке аммиака при приготовлении реактива Толленса. Указанный в уравнениях гидроксид серебра не является устойчивым осадком: в действительности выпадает бурый оксид серебра.
Читаем график задачи
В обратной задаче график уже известен, а по его точкам нужно определить состав исходного раствора. Для этого сначала выясняют, какому веществу соответствует осадок на каждом участке, и лишь затем рассчитывают количества веществ.
edit_noteОпределение состава смеси хлоридов магния и алюминия
Наибольшая масса осадка составляет 13,6 г, а после добавления избытка щёлочи остаётся 5,83 г. Конечное плато соответствует осадку \(\ce{Mg(OH)2}\). С учётом округления из его массы находят количество магния: \(5{,}83/58{,}32 = 0{,}100\) моль \(\ce{Mg}\). Разность между максимальной и конечной массами соответствует растворившемуся \(\ce{Al(OH)3}\). Из неё находят количество алюминия: \((13{,}6 - 5{,}83)/78{,}00 = 0{,}100\) моль \(\ce{Al}\). Чтобы осадить оба гидроксида, требуется \(2\cdot0{,}100 + 3\cdot0{,}100 = 0{,}500\) моль \(\ce{NaOH}\). Ещё один моль щёлочи на моль алюминия расходуется на растворение его гидроксида, поэтому плато начинается при \(0{,}500 + 0{,}100 = 0{,}600\) моль.
boltПроверка расчёта по точкам излома
Абсциссы точек излома относятся как простые целые числа. Если на графике указаны и массы осадка, и количества добавленного реагента в точках излома, проверьте расчёт обоими способами. Несовпадение результатов означает, что реакции на участках графика определены неверно или допущена ошибка в вычислениях.
history_eduГрафические задачи на олимпиадах
Задачи с графиками осаждения встречаются на Всероссийской олимпиаде школьников и в заданиях Менделеевской олимпиады. Они проверяют умение разделять процесс на стадии, а не только помнить уравнения реакций. Условие может требовать учесть порядок сливания растворов, выделение газа вместо образования осадка или растворение осадка в избытке реагента.
push_pinГлавное
Массу осадка рассчитывают отдельно для участков его образования, растворения и постоянной массы. При добавлении щёлочи к раствору \(\ce{AlCl3}\) максимум приходится на 3 моля щёлочи на моль соли, а после добавления 4 молей осадок исчезает. Для \(\ce{Zn^2+}\) соответствующие количества равны 2 и 4 молям, а для реакции \(\ce{Ca(OH)2 + CO2}\) — 1 и 2 молям углекислого газа. Если соль алюминия добавляют к щёлочи, осадок вначале не образуется: порядок сливания меняет график. Для смеси катионов максимальная масса соответствует образованию обоих осадков, а остаток после добавления избытка щёлочи — это неамфотерный гидроксид, который в щёлочи не растворяется; по его массе находят количество соответствующего металла.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.