Решение задачи: Определение содержания пероксида водорода (Вариант 7)

Вот решения задач и ответы на вопросы, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику. Вариант 7 1. Рассчитайте содержание пероксида водорода в препарате (%), если 10,0 мл анализируемого образца довели водой до метки в мерной колбе вместимостью 100,0 мл. На титрование 10,0 мл аликвоты полученного раствора пошло 18,9 мл 0,1 моль/л (УЧ 1/5 KMnO4) раствора калия перманганата (K = 0,98). Решение: Дано: Объем анализируемого образца \(V_{обр}\) = 10,0 мл Объем мерной колбы \(V_{колбы}\) = 100,0 мл Объем аликвоты \(V_{аликв}\) = 10,0 мл Объем раствора \(KMnO_4\) на титрование \(V_{KMnO_4}\) = 18,9 мл Концентрация раствора \(KMnO_4\) \(C_{KMnO_4}\) = 0,1 моль/л Поправочный коэффициент \(K\) = 0,98 Молярная масса эквивалента \(H_2O_2\) \(M_{экв}(H_2O_2)\) = 17,01 г/моль (для реакции с \(KMnO_4\), где \(H_2O_2\) отдает 2 электрона) Уравнение реакции: \[2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 5O_2 + 8H_2O\] Из уравнения видно, что 2 моля \(KMnO_4\) реагируют с 5 молями \(H_2O_2\). Следовательно, 1 моль \(KMnO_4\) реагирует с 2,5 молями \(H_2O_2\). Фактор эквивалентности для \(KMnO_4\) в данной реакции равен 1/5, так как марганец меняет степень окисления с +7 до +2 (принимает 5 электронов). Фактор эквивалентности для \(H_2O_2\) равен 1/2, так как кислород меняет степень окисления с -1 до 0 (отдает 2 электрона). 1. Рассчитаем нормальную концентрацию раствора \(KMnO_4\): \[C_N(KMnO_4) = C_{KMnO_4} \cdot K \cdot \text{валентность}\] В данном случае, концентрация уже дана как 0,1 моль/л (УЧ 1/5 KMnO4), что означает нормальную концентрацию. Тогда, с учетом поправочного коэффициента: \[C_N(KMnO_4) = 0,1 \text{ моль/л} \cdot 0,98 = 0,098 \text{ моль/л}\] 2. Рассчитаем количество вещества \(H_2O_2\) в аликвоте: По закону эквивалентов: \[C_N(H_2O_2) \cdot V_{аликв} = C_N(KMnO_4) \cdot V_{KMnO_4}\] \[C_N(H_2O_2) = \frac{C_N(KMnO_4) \cdot V_{KMnO_4}}{V_{аликв}}\] \[C_N(H_2O_2) = \frac{0,098 \text{ моль/л} \cdot 18,9 \text{ мл}}{10,0 \text{ мл}} = 0,18522 \text{ моль/л}\] 3. Рассчитаем массу \(H_2O_2\) в аликвоте: \[m(H_2O_2)_{аликв} = C_N(H_2O_2) \cdot V_{аликв} \cdot M_{экв}(H_2O_2)\] \[m(H_2O_2)_{аликв} = 0,18522 \text{ моль/л} \cdot 0,010 \text{ л} \cdot 17,01 \text{ г/моль} = 0,03149 \text{ г}\] (Здесь \(V_{аликв}\) в литрах: 10,0 мл = 0,010 л) 4. Рассчитаем массу \(H_2O_2\) во всем разбавленном растворе (в мерной колбе): Так как аликвота 10,0 мл была взята из 100,0 мл раствора, то масса \(H_2O_2\) во всем растворе в 10 раз больше: \[m(H_2O_2)_{общ} = m(H_2O_2)_{аликв} \cdot \frac{V_{колбы}}{V_{аликв}}\] \[m(H_2O_2)_{общ} = 0,03149 \text{ г} \cdot \frac{100,0 \text{ мл}}{10,0 \text{ мл}} = 0,3149 \text{ г}\] 5. Рассчитаем содержание пероксида водорода в препарате в процентах: Масса анализируемого образца соответствует массе \(H_2O_2\) в 10,0 мл исходного образца. Плотность раствора \(H_2O_2\) не указана, поэтому будем считать, что 10,0 мл образца - это объем, содержащий 0,3149 г \(H_2O_2\). Если под "препаратом" подразумевается исходный раствор, то процентное содержание рассчитывается как: \[\% H_2O_2 = \frac{m(H_2O_2)_{общ}}{m_{образца}} \cdot 100\%\] Однако, в задаче сказано "10,0 мл анализируемого образца довели водой до метки". Это означает, что 0,3149 г \(H_2O_2\) содержалось в исходных 10,0 мл образца. Для расчета процентного содержания по массе нам нужна плотность исходного образца. Если плотность не дана, обычно подразумевается объемное процентное содержание или массовое, но с допущением, что 10,0 мл образца - это и есть масса образца (что не совсем корректно для жидкостей). Предположим, что требуется найти массовую долю \(H_2O_2\) в исходном образце, и что 10,0 мл образца - это объем, из которого мы берем \(H_2O_2\). Если бы это был твердый образец, то 10,0 мл - это объем, а не масса. В контексте титриметрического анализа, если не указана плотность, часто подразумевается, что 10,0 мл образца - это объем, в котором содержится определенная масса вещества. Если задача подразумевает, что 10,0 мл образца - это объем, а не масса, то для расчета массовой доли нам нужна плотность. Если же под "содержанием в препарате (%)" подразумевается массовая доля, и 10,0 мл образца - это объем, то без плотности мы не можем найти массу образца. Однако, в некоторых случаях, особенно в учебных задачах, если не указана плотность, может подразумеваться, что 10,0 мл образца - это объем, который содержит найденную массу \(H_2O_2\), и процентное содержание рассчитывается как массовая доля \(H_2O_2\) в этом объеме, если бы он имел плотность, близкую к 1 г/мл. Давайте предположим, что 10,0 мл образца - это объем, и мы ищем массовую долю. Если бы 10,0 мл образца весили 10,0 г (плотность 1 г/мл), то: \[\% H_2O_2 = \frac{0,3149 \text{ г}}{10,0 \text{ г}} \cdot 100\% = 3,149\%\] Это наиболее вероятный вариант, если плотность не указана. Ответ: Содержание пероксида водорода в препарате составляет 3,15%. 2. Порошок натрия йодида пожелтел при хранении. Объясните химический процесс, который произошел? Можно ли его использовать для приготовления лекарственной формы? Объяснение: Порошок йодида натрия (\(NaI\)) пожелтел при хранении из-за окисления йодид-ионов (\(I^-\)) кислородом воздуха. В результате этого процесса образуется свободный йод (\(I_2\)), который имеет желто-коричневый цвет. Химический процесс можно описать следующим уравнением: \[4NaI + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2I_2 + 4NaOH\] Или в ионной форме: \[4I^- + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2I_2 + 4OH^-\] Этот процесс ускоряется под действием света, влаги и повышенной температуры. Можно ли его использовать для приготовления лекарственной формы? Нет, пожелтевший порошок йодида натрия нельзя использовать для приготовления лекарственной формы. Образовавшийся свободный йод является продуктом разложения и может быть токсичен или вызывать нежелательные побочные эффекты. Кроме того, изменение химического состава препарата означает, что его дозировка и терапевтическое действие будут отличаться от заявленных, что недопустимо для лекарственных средств. Лекарственные препараты должны соответствовать строгим стандартам качества и чистоты. 3. Какими реакциями можно различить нитрат- и нитрит-анионы? Различить нитрат-анионы (\(NO_3^-\)) и нитрит-анионы (\(NO_2^-\)) можно с помощью нескольких реакций: 1. Реакция с перманганатом калия (\(KMnO_4\)) в кислой среде: Нитрит-анионы являются восстановителями и обесцвечивают раствор перманганата калия, так как окисляются до нитрат-анионов. \[5NO_2^- + 2MnO_4^- + 6H^+ \rightarrow 5NO_3^- + 2Mn^{2+} + 3H_2O\] Нитрат-анионы в обычных условиях не реагируют с перманганатом калия. 2. Реакция с йодидом калия (\(KI\)) в кислой среде: Нитрит-анионы в кислой среде окисляют йодид-ионы до свободного йода (\(I_2\)), который можно обнаружить по синему окрашиванию с крахмалом. \[2NO_2^- + 2I^- + 4H^+ \rightarrow 2NO + I_2 + 2H_2O\] Нитрат-анионы не реагируют с йодидом калия в таких условиях. 3. Реакция с дифениламином: Дифениламин в концентрированной серной кислоте дает синее окрашивание в присутствии нитрат-анионов (реакция "нитрозо-реакция"). Однако эта реакция также чувствительна к нитрит-анионам. Для различия нитриты сначала удаляют, например, нагреванием с мочевиной. \[2HNO_2 + CO(NH_2)_2 \rightarrow 2N_2 + CO_2 + 3H_2O\] После удаления нитритов проводят реакцию на нитраты. 4. Реакция с сульфатом железа(II) (\(FeSO_4\)) в концентрированной серной кислоте (реакция "бурого кольца"): Эта реакция характерна для нитрат-анионов. При добавлении раствора \(FeSO_4\) к раствору, содержащему нитраты, и осторожном наслаивании концентрированной серной кислоты, на границе раздела фаз образуется бурое кольцо комплексного соединения \([Fe(NO)](SO_4)\). \[NO_3^- + 3Fe^{2+} + 4H^+ \rightarrow 3Fe^{3+} + NO + 2H_2O\] \[Fe^{2+} + NO \rightarrow [Fe(NO)]^{2+}\] Нитрит-анионы также дают бурое окрашивание с \(FeSO_4\), но без добавления концентрированной серной кислоты, и это окрашивание менее устойчиво. Наиболее простыми и наглядными для различия являются реакции с перманганатом калия и йодидом калия в кислой среде. 4. Чему равен фактор эквивалентности при количественном определении натрия тиосульфата методом йодометрии? Фактор эквивалентности (\(f_{экв}\)) при количественном определении натрия тиосульфата (\(Na_2S_2O_3\)) методом йодометрии равен 1. Объяснение: Метод йодометрии основан на реакции окисления тиосульфат-ионов (\(S_2O_3^{2-}\)) свободным йодом (\(I_2\)). Уравнение реакции: \[2Na_2S_2O_3 + I_2 \rightarrow Na_2S_4O_6 + 2NaI\] В ионной форме: \[2S_2O_3^{2-} + I_2 \rightarrow S_4O_6^{2-} + 2I^-\] В этой реакции каждый тиосульфат-ион (\(S_2O_3^{2-}\)) теряет один электрон, превращаясь в тетратионат-ион (\(S_4O_6^{2-}\)). Степень окисления серы в \(S_2O_3^{2-}\) в среднем составляет +2. Степень окисления серы в \(S_4O_6^{2-}\) в среднем составляет +2,5. Изменение степени окисления для одного атома серы: \(+2,5 - (+2) = +0,5\). Так как в тиосульфат-ионе два атома серы, то общее изменение степени окисления для иона: \(2 \cdot 0,5 = 1\). Следовательно, один моль \(Na_2S_2O_3\) отдает один моль электронов. По определению, фактор эквивалентности равен величине, обратной числу электронов, которые принимает или отдает одна молекула (или ион) в данной реакции. В данном случае, для \(Na_2S_2O_3\), число отданных электронов равно 1. Поэтому фактор эквивалентности \(f_{экв}(Na_2S_2O_3)\) = 1. 5. Правильно ли приготовлен концентрированный раствор натрия гидрокарбоната 5% — 100 мл, если на титрование 1 мл раствора пошло 0,1 моль/л раствора хлористоводородной кислоты? (M (NaHCO3) = 84 г/моль.) Решение: Дано: Объем приготовленного раствора \(V_{раствора}\) = 100 мл Предполагаемая концентрация \(NaHCO_3\) = 5% (массовая доля) Объем аликвоты для титрования \(V_{аликв}\) = 1 мл Объем раствора \(HCl\) на титрование \(V_{HCl}\) = 0,1 моль/л (это концентрация, а не объем) Молярная масса \(NaHCO_3\) \(M(NaHCO_3)\) = 84 г/моль В задаче не указан объем раствора \(HCl\), который пошел на титрование 1 мл раствора \(NaHCO_3\). Указана только концентрация \(HCl\). Без объема \(HCl\), израсходованного на титрование, невозможно определить, правильно ли приготовлен раствор. Предположим, что в вопросе опечатка, и "0,1 моль/л раствора хлористоводородной кислоты" относится к объему, например, 0,1 мл или 10 мл. Если бы было указано, например, "на титрование 1 мл раствора пошло X мл 0,1 моль/л раствора хлористоводородной кислоты", тогда можно было бы решить задачу. Давайте предположим, что на титрование 1 мл раствора \(NaHCO_3\) пошло 1,0 мл 0,1 моль/л раствора \(HCl\). Это стандартное предположение, если объем не указан, но дана концентрация. Уравнение реакции: \[NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2\] Реакция протекает в соотношении 1:1. 1. Рассчитаем количество вещества \(HCl\), пошедшего на титрование: \[n(HCl) = C(HCl) \cdot V(HCl)\] Если