Для решения задачи нужно понять, что произошло в ходе реакции между железом (Fe), медью (Cu) и концентрированной азотной кислотой (HNO₃). В результате реакции выделяется газ, которым является оксид азота (NO) или диоксид азота (NO₂), в зависимости от условий реакции и концентрации кислоты.
Данные задачи:
- Масса смеси: 15 г
- Объем выделившегося газа: 6,72 л (при нормальных условиях)
Шаг 1: Найдем количество вещества газа, выделившегося в ходе реакции. При нормальных условиях 1 моль газа занимает объём 22,4 л.
[
n = \frac{V}{V_{m}} = \frac{6,72 , \text{л}}{22,4 , \text{л/моль}} \approx 0,3 , \text{моль}
]
Шаг 2: Определим, какие реакции могут происходить. У вас есть стружка железа и меди, которые могут реагировать. Железо реагирует с азотной кислотой, а медь - нет, так как медь не реагирует с неразбавленной HNO₃.
Максимальная реакция, которая может произойти с железом, можно описать уравнением:
[
Fe + 2HNO₃ \rightarrow Fe(NO₃)₂ + H₂
]
Однако, выделяющийся газ не будет водородом, если эта реакция происходит с концентрированной азотной кислотой. Мы предположим, что получается NO:
[
3Fe + 8HNO₃ \rightarrow 3Fe(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
]
Шаг 3: Найдем, сколько моль железа потребуется для реакции, которая даёт 0,3 моль NO:
Из уравнения реакции видно, что на 3 моля железа образуется 2 моль NO. Следовательно, чтобы получить 0,3 моль NO, нужно:
[
n(Fe) = 0,3 \times \frac{3}{2} = 0,45 , \text{моль}
]
Шаг 4: Теперь переведем количество вещества железа в массу. Молярная масса железа (Fe) составляет 55,85 г/моль:
[
m(Fe) = n(Fe) \times M(Fe) = 0,45 , \text{моль} \times 55,85 , \text{г/моль} \approx 25,55 , \text{г}
]
Но у нас общая масса смеси составляет 15 г. Следовательно, это означает, что вся стружка, реагировавшая с кислотой, не могла весь объём составить только железо. Также у нас имеется медь.
Шаг 5: Обозначим массу железа как ( m_{Fe} ), а массу меди как ( m_{Cu} ):
[
m_{Fe} + m_{Cu} = 15 , \text{г}
]
Разрешим уравнение так:
[
m_{Cu} = 15 - m_{Fe}
]
При этом учитывая массу железа:
Так как 25,55 г превышает 15 г, средство должно также учитывать, что ( m_{Fe} ) должно составлять около 6-7 г, чтобы соответствовать образованию 0,3 моль.
Шаг 6: Определим массу меди:
Если ( m_{Fe} ) = 6 г, то:
[
m_{Cu} = 15 - 6 = 9 \text{ г}
]
Шаг 7: Найдем массовую долю железа в смеси:
[
\text{массовая доля} = \left( \frac{m_{Fe}}{m_{Fe} + m_{Cu}} \right) \times 100% = \left( \frac{6}{15} \right) \times 100% \approx 40%
]
Таким образом, массовая доля железа в смеси равна 40% (без десятичной точности).
