Решение задачи: Определение содержания пероксида водорода

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: Для начала запишем уравнение реакции титрования пероксида водорода перманганатом калия в кислой среде: \[2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 5O_2 + 8H_2O\] Из уравнения видно, что 2 моля \(KMnO_4\) реагируют с 5 молями \(H_2O_2\). Молярная масса пероксида водорода \(M(H_2O_2) = 2 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 34\) г/моль. Найдем количество вещества \(KMnO_4\), пошедшего на титрование: \[n(KMnO_4) = C(KMnO_4) \cdot V(KMnO_4) \cdot K\] где \(C(KMnO_4)\) – концентрация раствора перманганата калия, \(V(KMnO_4)\) – объем раствора перманганата калия, \(K\) – поправочный коэффициент. \[n(KMnO_4) = 0,1 \text{ моль/л} \cdot 0,0189 \text{ л} \cdot 0,98 = 0,0018522 \text{ моль}\] Теперь найдем количество вещества \(H_2O_2\) в аликвоте, используя стехиометрию реакции: \[n(H_2O_2) = n(KMnO_4) \cdot \frac{5}{2}\] \[n(H_2O_2) = 0,0018522 \text{ моль} \cdot \frac{5}{2} = 0,0046305 \text{ моль}\] Это количество вещества \(H_2O_2\) содержится в 10,0 мл аликвоты. Общий объем раствора после разбавления составляет 100,0 мл. Значит, в 100,0 мл раствора содержится в 10 раз больше \(H_2O_2\): \[n_{общ}(H_2O_2) = 0,0046305 \text{ моль} \cdot \frac{100,0 \text{ мл}}{10,0 \text{ мл}} = 0,046305 \text{ моль}\] Теперь найдем массу \(H_2O_2\) в исходном образце: \[m(H_2O_2) = n_{общ}(H_2O_2) \cdot M(H_2O_2)\] \[m(H_2O_2) = 0,046305 \text{ моль} \cdot 34 \text{ г/моль} = 1,57437 \text{ г}\] Исходный объем анализируемого образца был 10,0 мл. Для расчета процентного содержания нам нужна плотность раствора, но она не дана. Обычно в таких задачах подразумевается, что 10,0 мл образца – это масса, или же плотность близка к 1 г/мл. Если считать, что 10,0 мл образца имеют массу 10,0 г (что характерно для водных растворов), то: \[Массовая доля H_2O_2 (\%) = \frac{m(H_2O_2)}{m_{образца}} \cdot 100\%\] \[Массовая доля H_2O_2 (\%) = \frac{1,57437 \text{ г}}{10,0 \text{ г}} \cdot 100\% = 15,7437\%\] Если же 10,0 мл – это объем исходного образца, а не его масса, то без плотности точный расчет массовой доли невозможен. Однако, если речь идет о "препарате", то часто подразумевается, что 10,0 мл - это объем, который был взят для анализа, и его масса не равна 10,0 г. Но в контексте школьных задач, если плотность не указана, часто допускается, что объем в мл можно приравнять к массе в граммах для водных растворов. Давайте перепроверим условие "10,0 мл анализируемого образца". Это объем. Если бы это была масса, было бы указано "10,0 г". В таких задачах, если не указана плотность, обычно подразумевается, что нужно найти концентрацию в г/л или г/100 мл, что эквивалентно процентам (масса/объем). Рассчитаем концентрацию \(H_2O_2\) в исходном образце в г/л: \[C(H_2O_2) = \frac{m(H_2O_2)}{V_{исх.образца}}\] \[C(H_2O_2) = \frac{1,57437 \text{ г}}{0,010 \text{ л}} = 157,437 \text{ г/л}\] Процентное содержание (масса/объем) будет: \[Процентное содержание H_2O_2 (\% \text{ м/об}) = \frac{1,57437 \text{ г}}{10,0 \text{ мл}} \cdot 100\% = 15,7437\%\] Ответ: Содержание пероксида водорода в препарате составляет 15,74%. 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 кислородом воздуха. В результате этой реакции образуется свободный йод (\(I_2\)), который имеет желто-коричневый цвет. Химический процесс: \[4NaI + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2I_2 + 4NaOH\] Или, если рассматривать только ионную реакцию: \[4I^- + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2I_2 + 4OH^-\] Эта реакция ускоряется под действием света, влаги и повышенной температуры. Можно ли его использовать для приготовления лекарственной формы? Нет, пожелтевший йодид натрия нельзя использовать для приготовления лекарственной формы. Образовавшийся свободный йод является токсичным и может вызывать раздражение слизистых оболочек, а также изменять терапевтические свойства препарата. Лекарственные средства должны соответствовать стандартам чистоты и качества, и наличие продуктов разложения делает препарат непригодным для использования. 3. Какими реакциями можно различить нитрат- и нитрит-анионы? Ответ: Нитрат-анионы (\(NO_3^-\)) и нитрит-анионы (\(NO_2^-\)) можно различить с помощью нескольких реакций: 1. Реакция с перманганатом калия (\(KMnO_4\)): Нитрит-анионы являются восстановителями и обесцвечивают раствор перманганата калия в кислой среде, окисляясь 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 и не обесцвечивают его. 2. Реакция с йодидом калия (\(KI\)) в кислой среде: Нитрит-анионы в кислой среде окисляют йодид-ионы до свободного йода (\(I_2\)), который окрашивает раствор в желто-коричневый цвет или дает синее окрашивание с крахмалом: \[2NO_2^- + 2I^- + 4H^+ \rightarrow 2NO + I_2 + 2H_2O\] Нитрат-анионы не реагируют с йодидом калия в кислой среде в обычных условиях. 3. Реакция с дифениламином: Дифениламин в концентрированной серной кислоте в присутствии нитрат-анионов дает синее окрашивание. Однако эта реакция также чувствительна к нитрит-анионам. Для различия нитриты предварительно удаляют или разрушают. 4. Реакция с мочевиной или сульфаминовой кислотой: Нитриты можно разрушить, добавив мочевину или сульфаминовую кислоту в кислой среде. \[2HNO_2 + CO(NH_2)_2 \rightarrow 2N_2 + CO_2 + 3H_2O\] После разрушения нитритов можно провести реакцию на нитраты, например, "реакцию бурого кольца" (с \(FeSO_4\) и концентрированной \(H_2SO_4\)), которая дает бурое кольцо на границе раздела фаз. Наиболее простым и наглядным способом различия является реакция с перманганатом калия. 4. Чему равен фактор эквивалентности при количественном определении натрия тиосульфата методом йодометрии? Ответ: Метод йодометрии основан на реакции титрования йода (\(I_2\)) раствором тиосульфата натрия (\(Na_2S_2O_3\)). Уравнение реакции: \[I_2 + 2Na_2S_2O_3 \rightarrow 2NaI + Na_2S_4O_6\] В этой реакции тиосульфат-ион (\(S_2O_3^{2-}\)) окисляется до тетратионат-иона (\(S_4O_6^{2-}\)). Изменение степени окисления серы в тиосульфат-ионе: В \(S_2O_3^{2-}\) средняя степень окисления серы равна \(+2\). В \(S_4O_6^{2-}\) средняя степень окисления серы равна \(+2,5\). Однако, для определения фактора эквивалентности важно изменение степени окисления одного атома серы или суммарное изменение для всех атомов серы, участвующих в реакции. В реакции \(2S_2O_3^{2-} \rightarrow S_4O_6^{2-}\) происходит потеря 2 электронов на 2 иона тиосульфата. То есть, каждый ион \(S_2O_3^{2-}\) теряет 1 электрон. \[2S_2O_3^{2-} - 2e^- \rightarrow S_4O_6^{2-}\] Таким образом, один моль \(Na_2S_2O_3\) отдает 1 моль электронов. Фактор эквивалентности (\(f_{экв}\)) для вещества в окислительно-восстановительной реакции равен \(1/z\), где \(z\) – число электронов, отдаваемых или принимаемых одной молекулой (или ионом) вещества. В данном случае, для \(Na_2S_2O_3\), \(z = 1\). Следовательно, фактор эквивалентности для натрия тиосульфата в йодометрии равен 1. \[f_{экв}(Na_2S_2O_3) = 1\] 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: Сначала определим, сколько \(NaHCO_3\) должно быть в 100 мл 5% раствора. 5% раствор означает, что в 100 мл раствора содержится 5 г \(NaHCO_3\). Масса \(NaHCO_3\) в 100 мл раствора = 5 г. Теперь определим, сколько \(NaHCO_3\) содержится в 1 мл этого раствора. Масса \(NaHCO_3\) в 1 мл раствора = \(5 \text{ г} / 100 \text{ мл} = 0,05 \text{ г/мл}\). Далее, рассмотрим реакцию титрования \(NaHCO_3\) хлористоводородной кислотой (\(HCl\)): \[NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2\] Реакция идет в соотношении 1:1. То есть, 1 моль \(NaHCO_3\) реагирует с 1 молем \(HCl\). Молярная масса \(NaHCO_3\) = 84 г/моль. Найдем количество вещества \(HCl\), пошедшего на титрование 1 мл раствора: \[n(HCl) = C(HCl) \cdot V(HCl)\] \[n(HCl) = 0,1 \text{ моль/л} \cdot V(HCl)\] В условии задачи не указан объем \(HCl\), пошедший на титрование 1 мл раствора. Указано только "0,1 моль/л раствора хлористоводородной кислоты". Это, вероятно, опечатка, и должно быть указано, сколько мл 0,1 моль/л раствора \(HCl\) пошло на титрование. Предположим, что на титрование 1 мл раствора \(NaHCO_3\) пошло 1 мл 0,1 моль/л раствора \(HCl\). Это наиболее логичное предположение для проверки правильности приготовления. Если \(V(HCl) = 1 \text{ мл} = 0,001 \text{ л}\), то: \[n(HCl) = 0,1 \text{ моль/л} \cdot 0,001 \text{ л} = 0,0001 \text{ моль}\] Поскольку реакция 1:1, то количество вещества \(NaHCO_3\) в 1 мл раствора равно: \[n(NaHCO_3) = n(HCl) = 0,0001 \text{ моль}\] Теперь найдем массу \(NaHCO_3\) в 1 мл раствора: \[m(NaHCO_3) = n(NaHCO_3) \cdot M(NaHCO_3)\] \[m(NaHCO_3) = 0,0001 \text{ моль} \cdot 84 \text{ г/моль} = 0,0084 \text{ г}\] Сравним эту массу с теоретически рассчитанной массой \(NaHCO_3\) в 1 мл 5% раствора: Теоретическая масса \(NaHCO_3\) в 1 мл = 0,05 г. Экспериментальная масса \(NaHCO_3\) в 1 мл = 0,0084 г. Эти значения сильно отличаются. \[0,0084 \text{ г} \neq 0,05 \text{ г}\] Следовательно, раствор приготовлен неправильно. Если же в условии задачи подразумевалось, что на титрование 1 мл раствора пошло 0,1 моль/л раствора \(HCl\) и объем этого раствора \(HCl\) был, например, 5 мл (чтобы получить 0,05 г \(NaHCO_3\)), то: \[n(HCl) = 0,1 \text{ моль/л} \cdot 0,005 \text{ л} = 0,0005 \text{ моль}\] \[n(NaHCO_3) = 0,0005 \text{ моль}\] \[m(NaHCO_3) = 0,0005 \text{ моль} \cdot 84 \text{ г/моль} = 0,042 \text{ г}\] Это все еще не 0,05 г. Если бы раствор был приготовлен правильно, то на титрование 1 мл 5% раствора \(NaHCO_3\) должно было бы пойти: Масса \(NaHCO_3\) в 1 мл = 0,05 г. Количество вещества \(NaHCO_3\) в 1 мл = \(0,05 \text{ г} / 84 \text{ г/моль} \approx 0,000595 \text{ моль}\). Объем 0,1 моль/л \(HCl\), необходимый для титрования: \[V(HCl) = n(NaHCO_3) / C(HCl) = 0,000595 \text{ моль} /