2023-02-06
К жесткой воде, содержащей гидрокарбонат кальция, прибавили 30,4 г сульфата железа (II) и продули воздух. Для нейтрализации избытка серной кислоты прибавили раствор, содержащий 1,36 г аммиака. Образовавшийся осадок прокалили. Определить массу и состав осадка. (Считать, что сульфат кальция осаждается полностью).
Решение:
Реакция гидрокарбоната кальция с сульфатом железа (II) проходи, по уравнению:
$\underset{163}{ \underline{Ca (HCO_{3})_{2}}} + \underset{162}{ \underline{FeSO_{4}}} = \underset{178}{ \underline{Fe (HCO_{3})_{2}}} + \underset{136}{ \underline{CaSO_{4}}}$.
При продувании воздуха железо (II) окисляется кислородом до железа (III) и гидрокарбонат полностью гидролизует:
$\underset{4 \cdot 178}{ \underline{4Fe (HCO_{3})_{2}}} + 2H_{2}O + O_{2} = \underset{4 \cdot 107}{ \underline{4Fe (OH)_{3}}} + 8CO_{2}$.
Одновременно окисляется и железо (II) в сульфате:
$4FeSO_{4} + 2H_{2}O + O_{2} = 4Fe (OH)SO_{4}$
При нейтрализации избытка серной кислоты выпадает гидроксид железа(III):
$ Fe (OH)SO_{4} + 2NH_{3} + 2H_{2}O = Fe (OH)_{3} + (NH_{4})_{2}SO_{4}$.
или
$\underset{4 \cdot 152}{ \underline{4FeSO_{4}}} + \underset{8 \cdot 17}{ \underline{8NH_{3}}} + 10H_{2}O + O_{2} = \underset{4 \cdot 107}{ \underline{4FE (OH)_{3}}} + 4(NH_{4})_{2}SO_{4}$.
При прокаливании гидроксида железа (III) образуется оксид железа (III):
$\underset{2 \cdot 107}{ \underline{2Fe (OH)_{3}}} = \underset{160}{ \underline{Fe_{2}O_{3}}} + 3H_{2}O$.
Первый способ. По условию задачи к жесткой воде прибавили 30,4 г, или $\frac{30,4}{152} = 0,2$ моль, сульфата железа (II). На нейтрализацию избытка серной кислоты израсходовали 1,36 г, или $\frac{1,36}{17} = 0,08$ моль, аммиака. Это значит, что гидрокарбонат кальция прореагировал полностью, а избыток железа (III) осажден аммиаком в виде гидроксида железа (III). По уравнению реакции аммиака с сульфатом железа (II) 8 моль $NH_{3}$ реагируют с 4 моль $FeSO_{4}$ с образованием 4 моль $Fe (OH)_{3}$, а 0,08 моль $NH_{3}$ прореагируют с 0,04 моль $FeSO_{4}$ и образуют 0,04 моль $Fe (OH)_{3}$. Следовательно, из 0,2 моль сульфата железа (II) 0,04 моль прореагировали с аммиаком, а 0,16 моль ($0,2 - 0,04 = 0,16$) - с гидрокарбонатом кальция. По уравнению этой реакции 1 моль $FeSO_{4}$ реагирует с 1 моль $Ca (HCO_{3})_{2}$ с образованием по 1 моль продуктов реакции, а 0,16 моль $FeSO_{4}$ прореагировали с 0,16 моль $Ca (HCO_{3})_{2}$ и образовали 0,16 моль, или $0,16 \cdot 136 = 21,76 \:г, CaSO_{4}$ и 0,16 моль $Fe (HCO_{3})_{2}$, который после окисления и гидролиза образовал 0,16 моль $Fe (OH)_{3}$. В результате этого в осадок выпали 21,76 г сульфата кальция и 0,2 моль ($0,04 + 0,16 = 0,2$) гидроксида железа (III), из которого после прокаливания образовалось 0,1 моль, или $0,1 \cdot 160 = 16 \:г, Fe_{2}O_{3}$. Масса осадка после прокаливания была равной $21,76 + 16 = 37,76$ г.
Второй способ. По условию задачи к жесткой воде прибавили 30,4 г сульфата железа (II) и на нейтрализацию избытка серной кислоты израсходовали 1,36 г аммиака.
Из уравнения реакции сульфата железа (II) с аммиаком следует, что
136 г $NH_{3}$ реагируют с 608 г $FeSO_{4}$,
1,36 г $NH_{3}$ реагируют с $x$ г $FeSO_{4}$,
$x = \frac {608 \cdot 1,36}{136} = 6,08$ г;
136 г $NH_{3}$ образуют 428 г $Fe (OH)_{3}$,
1,36 г $NH_{3}$ образуют $x_{1}$ г $Fe (OH)_{3}$,
$x_{1} = \frac {428 \cdot 1,36}{136} = 4,28$ г.
Следовательно, 6,08 г сульфата железа (II) прореагировали с аммиаком, а 24,32 г ($30,4 - 6,08 = 24,32$) его прореагировали с гидрокарбонатом кальция. По уравнению этой реакции
152 г $FeSO_{4}$ реагируют со 162 г $Ca (HCO_{3})_{2}$,
24,32 г $FeSO_{4}$ реагируют со $x_{2}$ г $Ca (HCO_{3})_{2}$;
$x_{2} = \frac {162 \cdot 24,32}{152} = 25,92$ г.
152 г $FeSO_{4}$ образуют 178 г $Fe (HCO_{3})_{2}$,
24,32 г $FeSO_{4}$ образуют $x_{3}$ г $Fe (HCO_{3})_{2}$,
$x_{3} = \frac {178 \cdot 24,32}{152} = 28,48$ г.
162 г $Ca (HCO_{3})_{2}$ образуют 136 г $CaSO_{4}$,
25,92 г $Ca (HCO_{3})_{2}$ образуют $x_{4}$ г $CaSO_{4}$,
$x_{4} = \frac {136 \cdot 25,92}{162} = 21,76$ г.
Из уравнения реакции окисления и гидролиза гидрокарбоната железа (II) видно, что
712 г $Fe (HCO_{3})_{2}$ образуют 428 г $Fe (OH)_{3}$,
28,48 г $Fe (HCO_{3})_{2}$ образуют $x_{5}$ г $Fe (OH)_{3}$,
$x_{5} = \frac {428 \cdot 28,48}{712} = 17,12$ г.
Таким образом, в осадок выпали 21,76 г сульфата кальция и 21,4 г ($17,12 + 4,28 = 21,4$) гидроксида железа (III). После прокаливания гидроксид переходит в оксид железа (III). Из уравнения этой реакции
214 г $Fe (OH)_{3}$ образуют 160 г $Fe_{2}O_{3}$,
21,4 г $Fe (OH)_{3}$ образуют $x_{6}$ г $Fe_{2}O_{3}$,
$x_{6} = \frac {160 \cdot 21,4}{214} = 16$ г.
Масса осадка после прокаливания равна 37,76 г ($21,76 + 16 = 37,76$).