Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 128.

Kategoria: Stężenia roztworów Typ: Oblicz

Siarkowodór otrzymywany jest w laboratorium w reakcji kwasu solnego z siarczkiem żelaza(II). Reakcja ta przebiega zgodnie z równaniem:

FeS(s) + 2HCl(aq) → FeCl₂ (aq) + H₂S(g)

Tak otrzymany gazowy siarkowodór wykorzystuje się w analizie chemicznej do wytrącania osadów trudno rozpuszczalnych siarczków, np. siarczku cynku. Gdy wodny roztwór, w którym znajdują się jony cynku, nasyca się siarkowodorem, zachodzi reakcja opisana równaniem:

Zn²⁺ + H₂S → ZnS ↓ + 2H⁺

Po zakończeniu reakcji biały osad siarczku cynku odsącza się na sączku z bibuły, przemywa i umieszcza wraz z sączkiem w uprzednio zważonym porcelanowym tyglu. Następnie spala się sączek i praży osad w temperaturze 900°C aż do uzyskania stałej masy. Podczas prażenia osad siarczku cynku przechodzi w tlenek cynku zgodnie z równaniem:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ ↑

Znając masę otrzymanego tlenku cynku, można obliczyć masę cynku, który znajdował się w badanym roztworze.

Na podstawie: J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna. Chemiczne metody analizy ilościowej, t. 2, Warszawa 1998, s. 174–175

Aby wyznaczyć stężenie jonów cynku w badanym wodnym roztworze rozpuszczalnej soli cynku, pobrano próbkę tego roztworu o objętości 50 cm³ i umieszczono ją w zlewce. Pobrany roztwór rozcieńczono i ogrzano, a następnie pod wyciągiem nasycano siarkowodorem. Po upływie godziny od zakończenia reakcji wytrącony osad odsączono, przemyto i włożono do tygla, w którym był prażony do stałej masy. Otrzymano 243 mg tlenku cynku.

Oblicz stężenie molowe jonów cynku w badanym roztworze.

Rozwiązanie

Przykłady poprawnych odpowiedzi

Dane:
V = 50 cm³ = 0,050 dm³
m_ZnO = 243 mg = 0,243 g
M_ZnO = 81 g ⋅ mol⁻¹

Szukane:
c_Zn²⁺

Rozwiązanie:
I sposób

n_Zn²⁺ = n_ZnO = m_ZnOM_ZnO

c_Zn²⁺ = n_Zn²⁺V = n_ZnOV = m_ZnOM_ZnO ⋅ V

c_Zn²⁺ = 0,243 g81 g ⋅ mol⁻¹ ⋅ 0,050 dm³ = 0,06 mol ⋅ dm⁻³

II sposób

1 mol Zn²⁺
x

⸺
⸺

81 g ZnO
0,243 g ZnO

x = 1 mol ⋅ 0,243 g 81 g = 0,003 mola Zn²⁺

0,003 mola Zn²⁺
y

⸺
⸺

50 cm³ = 0,050 dm³ roztworu
1 dm³ roztworu

y = 1 dm³ ⋅ 0,003 mola0,050 dm³ = 0,06 mola

III sposób
Z równania reakcji

1 mol ZnS ⸺ 1 mol ZnO i M_ZnS = 97 g ⋅ mol⁻¹ oraz M_ZnO = 81 g ⋅ mol⁻¹ ⇒

97 g ZnS
x

⸺
⸺

81 g ZnO
0,243 g ZnO

x = 0,291 g ZnS
M_ZnCl₂ = 136 g ⋅ mol⁻¹

136 g ZnCl₂
y

⸺
⸺

97 g ZnS
0,291 g

y = 0,408 g ZnCl₂

136 g ZnCl₂
0,408 g

⸺
⸺

1 mol
z

z = 3 ⋅ 10⁻³ mol i

c_m = 3 ⋅ 10⁻³ mol50 ⋅ 10⁻³ dm³ = 0,06 mol ⋅ dm⁻³

Odpowiedź: Stężenie molowe jonów cynku w badanym roztworze było równe 0,06 mol ⋅ dm⁻³.

Wskazówki

Zadanie można rozwiązać różnymi sposobami, ale podstawą każdego z nich jest zauważenie, że do obliczenia stężenia molowego jonów cynku w badanym roztworze potrzebna jest informacja o liczbie moli tych jonów w znanej objętości roztworu (50 cm³). Ponieważ dana jest masa tlenku cynku ZnO otrzymanego w wyniku dwóch kolejnych reakcji chemicznych, trzeba także wykorzystać ich równania, co pozwoli powiązać ilość ZnO z ilością Zn²⁺ . Równania te podano w informacji do wiązki zadań:

Zn²⁺ + H₂S → ZnS ↓ + 2H⁺ oraz 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ ↑

Wynika z nich, że liczba moli otrzymanego ZnO jest równa liczbie moli Zn²⁺ obecnych w danej objętości roztworu, dlatego, obliczając liczbę moli ZnO, otrzymamy liczbę moli Zn²⁺ . Objętość roztworu i zawarta w niej liczba moli jonów cynku to 2 wielkości konieczne i wystarczające do tego, aby obliczyć stężenie molowe. Trzeba przy tym pamiętać, że jednostką stężenia molowego jest mol · dm^–3, dlatego objętość wyrażoną w cm³ należy przeliczyć na dm³.