При взаимодействии сульфата цинка с магнием протекает реакция замещения: Mg + ZnSO4 → MgSO4 + Zn (I)
Вычислим количество вещества сульфата цинка и магния, вступающих в реакцию (I): νисх.(ZnSO4 • 7H2O) = ν(ZnSO4) = mисх.(ZnSO4 • 7H2O)/M(ZnSO4 • 7H2O) = 28,7 г /287 г/моль = 0,1 моль; νисх.(Mg) = mисх.(Mg)/M(Mg) = 7,2 г/24 г/моль = 0,3 моль.
По уравнению реакции (I) νисх.(Mg) = ν(ZnSO4), а по условию задачи количество вещества сульфата цинка (0,1 моль ZnSO4 • 7H2O и 0,3 моль Mg), поэтому магний прореагировал не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, νисх.(ZnSO4 • 7H2O) = ν(MgSO4) = ν(Zn) = νреаг.(Mg) = 0,1 моль и νост.(Mg) = 0,3 моль – 0,1 моль = 0,2 моль.
Для расчета в дальнейшем массы конечного раствора необходимо знать массу непрореагировавшего магния (реакция (I)) и исходного раствора сульфата цинка: mост.(Mg) = νост.(Mg) • M(Mg) = 0,2 моль • 24 г/моль = 4,8 г; νисх.(ZnSO4 • 7H2O) = νисх.(ZnSO4) = 0,1 моль, следовательно, m(ZnSO4) = ν(ZnSO4) • M(ZnSO4) = 0,1 моль • 161 г/моль = 16,1 г; mисх.(р-ра ZnSO4) = m(ZnSO4)/ω(ZnSO4) • 100% = 16,1 г/10% • 100% = 161 г.
С раствором гидроксида натрия реагируют сульфат магния и образовавшийся по реакции (I) магний: Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑ (II) MgSO4 + 2NaOH → Mg(OH)2↓ + Na2SO4 (III)
Вычислим массу и количество вещества гидроксида натрия: mисх.(NaOH) = mисх.(р-ра NaOH) • ω(NaOH) = 120 г • 0,3 = 36 г; νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 36 г/40 г/моль = 0,9 моль.
Согласно уравнениям реакции (II) и (III) νII(NaOH) = 2ν(Zn) и νIII(NaOH) = 2ν(MgSO4), следовательно, общее количество и масса реагирующей щелочи равны: νобщ.(NaOH) = νII(NaOH) + νIII(NaOH) = 2ν(Zn) + 2ν(MgSO4) = 2 • 0,1 моль + 2 • 0,1 моль = 0,4 моль; mреаг.(NaOH) = νреаг.(NaOH) • M(NaOH) = 0,4 моль • 40 г/моль = 16 г.
Для расчета конечного раствора вычисляем массу гидроксида магния: ν(MgSO4) = ν(Mg(OH)2) = 0,1 моль; m(Mg(OH)2) = ν(Mg(OH)2) • M(Mg(OH)2) = 0,1 моль • 58 г/моль = 5,8 г.
Вычисли массу непрореагировавшей щелочи: mост.(NaOH) = mисх.(NaOH) − mреаг.(NaOH) = 36 г – 16 г = 20 г.
Для расчета массы конечного раствора необходимо вычислить массу выделяющегося в результате реакции (II) водорода: ν(Zn) = ν(H2) = 0,1 моль и m(H2) = ν(H2) • M(H2) = 0,1 моль • 2 г/моль = 0,2 г.
Массу полученного раствора вычисляем по формуле: m(р-ра) = mисх.(р-ра ZnSO4) + mисх.(Mg) − mост.(Mg)+ mисх.(р-ра NaOH) – m(Mg(OH)2) − m(H2) = 161 г + 7,2 г − 4,8 г + 120 г – 5,8 г − 0,2 г = 277,4 г
Массовая доля щелочи в образовавшемся растворе равна: ω(NaOH) = mост.(NaOH)/m(р-ра) • 100% = 20 г/277,4 г • 100% = 7,21%.