Аммиак. Задача № 34 из ФИПИ 2020 с объяснениями

Сегодня мы будем решать и разбирать очередную задачу № 34 из ЕГЭ 2020 года.

Задача:

Насыщенный раствор хлорида алюминия (растворимость 46 грамм в 100 граммах воды при 20 С) массой 50,85 грамм разлили в две колбы: в первую добавили избыток раствора Na₂CO₃, во вторую 20,4 грамма 25%-ного раствора аммиака. Во второй колбе осадок в 2 раза тяжелее, чем в первой. Найдите концентрацию аммиака во второй колбе после окончания реакции.

Решение:

Для начала необходимо составить уравнения химических реакций (как и в других реакциях, где есть химический процесс).

В условии сказано, что есть хлорид алюминия (AlCl₃), который разлили в две колбы: в первой был раствор карбонат натрия, во второй - раствор аммиака.

Если ты забыл как аммиак реагирует с различными веществами, в то числе, с солями, рекомендую освежить знания по теме: Аммиак

А пока мы запишем две реакции:

1) 2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ ↓ + 3CO₂ + 6NaCl
2) AlCl₃ + 3NH₃ + 3H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl

Объяснять, как уравнивать я не буду, ты это уже знаешь.
А по поводу воды в этих двух реакциях уточняю: если у тебя в условии указан раствор какого - то вещества, то химическая реакция однозначно будет с участием H₂O.

Идем дальше!
Первое вещество, с которого мы начнем расчеты - это хлорид алюминия.

Сначала ищем его массу с учетом растворимости (см. условие), для этого составляем пропорцию:

46 / (46 + 100) = x / 50,85,
x = 46 * 50,85 / 146 = 16,02 грамм.

Теперь находим количество вещества AlCl₃:

Молярная масса хлорида алюминия (по таблице ПСЭ) равна 133,5 грамм/ моль; n (AlCl₃) = 16,02 / 133,5 = 0,12 моль.

Мы нашли моль AlCl₃, но вопрос - к какой именно реакции его отнести?
У нас ведь две реакции, с карбонатом натрия и аммиаком, и в обеих есть хлорид алюминия.

Как же быть? Верный ответ - 0,12 моль представляет собой общее количество хлорида, и нужно составить маленькое уравнение (без него никак):
Возьмем количество AlCl₃ из первой реакции за x, а этот же хлорид из второй реакции - за y.

В итоге пишем: x + y = 0,12 моль.

Если посмотреть на данные химические реакции, то заметим, что количество хлорида алюминия в первой и второй реакциях не равны:
- в первой перед AlCl₃ стоит 2,
- во второй - 1.
Это означает, что мы имеем две соли, которые взяты в неравных количествах, и данную деталь нельзя игнорировать.

Поэтому, пишем так: y = 2x.

Теперь соединяем эти два действия в одно уравнение:

Решив их, получаем:

Что делаем теперь?
Через количество хлорида алюминия мы можем найти все остальное, но нам не нужно искать все вещества, мы ищем аммиак:

1) Вначале вычисляем массу аммиака (чистого): m (NH₃) =0,25 * 20,4 = 5,1 грамм.
(По условию аммиак был взят 25%-й в массой 20,4 грамма, нужно узнать его чистую массу)

2) Молярная масса аммиака: 17 грамм / моль; n (NH₃) = 5,1 / 17 = 0,3 моль.

3) Теперь необходимо узнать, сколько аммиака прореагировало. Но здесь есть вопрос - а как мы это узнаем?
Ответ прост: по уравнению, моль хлорида алюминия (по которому мы и находим все остальные вещества) во второй реакции = 0,08 моль. Значит, моль аммиака будет в три раза больше (см. на реакцию, перед аммиаком стоит цифра 3).

Путем нехитрого действия находим: 0,08 моль * 3 = 0,24 моль.

4) Далее вычитаем от начального количества аммиака его прореагировавшее количество: 0,3 - 0,24 = 0,06 моль.

Так как аммиак взят в избытке, то решаем по недостатку(Al(OH)₃ по второй реакции). Однако, без аммиака нельзя, так как в задаче его и нужно найти.

5) Следующим шагом находим массу аммиака: 0,06 * 17 = 1,02 грамма.

В условии задачи необходимо найти массовую долю аммиака, но без массы это невозможно.

Следующий шаг.

С NH₃ мы пока закончили, на очереди - гидроксид алюминия (Al(OH)₃), который выпал в осадок, и мы не имеем права не учитывать его по причине того, что при нахождении общей массы раствора необходимо убрать все вещества, которые являются осадками или газами.

1) Получим его моль: n (Al(OH)₃) = n (AlCl₃) = 0,08 моль.

Смотри на вторую реакцию, перед гидроксидом алюминия, как и перед хлоридом алюминия нет коэффициентов, а значит, их взято одинаковое количество, отсюда и равное число моль.

2) Молярная масса Al(OH)₃ = 78 грамм / моль; m (Al(OH)₃) = 0,08 * 78 = 6,24 грамм.

Далее:

Учитывая, что моли хлорида алюминия в двух реакциях одинаковы, значит, концентрация так же одинакова.

Составляем пропорцию:

0,12 / 50,85 = 0,08 / x;
x = 0,08 * 50,85 / 0,12 = 33,9 грамм.

Рассмотрим подробнее данное действие:

• 0,12 - это моль хлорида алюминия (общий),
• 50,85 - это масса AlCl₃ по условию (общая),
• 0,08 моль - это количество вещества хлорида алюминия.

Через пропорцию находим массу AlCl₃.

Осталось самое последнее действие!

Найдем массовую долю аммиака:

ω (NH₃) = 1,02 / (33,9 + 20,4 – 6,24) = 1,02 / 48,06 = 0,0212, или 2,12%.

Здесь мы делим полученную массу аммиака на массу раствора (без осадка).
Массу раствора найдем по формуле:
масса хлорида алюминия + масса аммиака - осадок Al(OH)₃.

Задача решена!