Задачи на смеси и сплавы на ЕГЭ по химии
Автор статьи — профессиональный репетитор О. В. Овчинникова.
Задачи на смеси и сплавы — очень частый вид задач на ЕГЭ по химии. Они требуют чёткого представления о том, какие из веществ вступают в предлагаемую в задаче реакцию, а какие нет.
О смеси мы говорим тогда, когда у нас есть не одно, а несколько веществ (компонентов), «ссыпанных» в одну емкость. Вещества эти не должны взаимодействовать друг с другом.
к оглавлению ▴
Типичные заблуждения и ошибки при решении задач на смеси.
- Попытка записать оба вещества в одну реакцию. Вот одна из распространенных ошибок:
«Смесь оксидов кальция и бария растворили в соляной кислоте…»Многие выпускники пишут уравнение реакции так:
Это ошибка. Ведь в этой смеси могут быть любые количества каждого оксида!
А в приведенном уравнении предполагается, что их равное количество.
- Предположение, что их мольное соотношение соответствует коэффициентам в уравнениях реакций. Например:

Количество цинка принимается за
, а количество алюминия — за
(в соответствии с коэффициентом в уравнении реакции). Это тоже неверно. Эти количества могут быть любыми и они никак между собой не связаны.
- Попытки найти «количество вещества смеси», поделив её массу на сумму молярных масс компонентов.Это действие вообще никакого смысла не имеет. Каждая молярная масса может относиться только к отдельному веществу.
Часто в таких задачах используется реакция металлов с кислотами. Для решения таких задач надо точно знать, какие металлы с какими кислотами взаимодействуют, а какие — нет.
к оглавлению ▴
Необходимые теоретические сведения.
Способы выражения состава смесей.
- Массовая доля компонента в смеси— отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.
- Мольная доля компонента в смеси — отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества
,
и
, то:

где

– "хи", мольная доля компонента в смеси,

– число моль (количество вещества) компонента А
- Мольное соотношение компонентов.Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:
- Объёмная доля компонента в смеси (только для газов)— отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.

где

– "фи", объёмная доля компонента в смеси,

– объём вещества А,

– общий объём всей газовой смеси
к оглавлению ▴
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au |
- С минеральными кислотами, к которым относятся все растворимые кислоты (кроме азотной и концентрированной серной, взаимодействие которых с металлами происходит по-особому), реагируют только металлы, в электрохимическом ряду напряжений находящиеся до (левее) водорода.
- При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, кобальт), проявляют минимальную из возможных степень окисления — обычно это
.
- Взаимодействие металлов с азотной кислотой приводит к образованию, вместо водорода, продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой — к выделению продуктов восстановления серы. Так как реально образуется смесь продуктов восстановления, часто в задаче есть прямое указание на конкретное вещество.
к оглавлению ▴
Продукты восстановления азотной кислоты.
к оглавлению ▴
Продукты восстановления серной кислоты.
к оглавлению ▴
- В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы (
), а также металлы IIA группы:
. При этом образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить магний.
- В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы: алюминий, цинк и олово. При этом образуются гидроксокомплексы и выделяется водород.
к оглавлению ▴
Примеры решения задач.
Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:
Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.
к оглавлению ▴
Решение примера 1.
- Находим количество водорода:
моль.
- По уравнению реакции:
Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
г.
- Теперь можно рассчитать массовые доли металлов в смеси:

Ответ:
железа,
меди.
Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н.у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за
— число моль одного из металлов, а за
— количество вещества второго.
к оглавлению ▴
Решение примера 2.
- Находим количество водорода:
моль.
- Пусть количество алюминия —
моль, а железа
моль. Тогда можно выразить через
и
количество выделившегося водорода:
- Нам известно общее количество водорода:
моль. Значит,
(это первое уравнение в системе).
- Для смеси металлов нужно выразить массычерез количества веществ.
Значит, масса алюминия
масса железа

а масса всей смеси
(это второе уравнение в системе).
- Итак, мы имеем систему из двух уравнений:

Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
и вычитая первое уравнение из второго:
- Дальше находим массы металлов и их массовые доли в смеси:
соответственно,

Ответ:
железа,
алюминия.
Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н.у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.
В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г — это масса меди. Количества остальных двух металлов — цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.
Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.
Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в таких задачах — правильно определить, какой металл будет растворяться в ней, а какой не будет.
Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н.у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.
В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью реагирует только алюминий — амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи — ещё можно растворить бериллий).
к оглавлению ▴
Решение примера 4.
- С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
моль

(конц.)

(не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)
Так как мольное соотношение меди и сернистого газа
, то меди тоже
моль.
Можно найти массу меди:
г.
- В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
- Число моль водорода:
моль,мольное соотношение алюминия и водорода
и, следовательно,
моль.
Масса алюминия:
г
- Остаток — это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
г.
- Массовые доли металлов:
Ты нашел то, что искал? Поделись с друзьями!
Ответ:
меди,
алюминия,
железа.
Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н.у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)
В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота — «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это — азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.
к оглавлению ▴
Решение примера 5.
- Определяем количество вещества газа:
моль.
- Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной
:
Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит — кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке, и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.
- Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс) и, для удобства расчетов, принимаем за
— количество цинка, а за
— количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится
моль, а во второй —
моль:
- Тогда, учитывая, что масса смеси металлов
г, их молярные массы —
г/моль у цинка и
г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

– количество азота

– масса смеси двух металлов
Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.
Проверим массу смеси:
г.
- Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
- Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию:
моль,т.е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
моль.
- Итак, в итоговом растворесодержатся:
нитрат цинка в количестве
моль:
г
нитрат алюминия в количестве
моль:
г
избыток азотной кислоты в количестве
моль:
г
- Какова масса итогового раствора?Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):
Масса
нового
раствора |
= |
Сумма масс
смешиваемых
растворов и/или веществ |
- |
Масса осадков |
- |
Масса газов |
Тогда для нашей задачи:
= масса раствора кислоты + масса сплава металлов — масса азота
г
г
- Теперь можно рассчитать массовые доли веществ в получившемся растворе:
Ответ:
нитрата цинка,
нитрата алюминия,
азотной кислоты.
Пример 6. При обработке
г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось
л газа (н.у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты —
л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)
При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт
, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.
Ответ к примеру 6:
меди,
железа,
алюминия.
к оглавлению ▴
Задачи для самостоятельного решения.
1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.
1-1. Смесь меди и алюминия массой

г обработали

-ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось

л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.
1-2. Смесь меди и цинка массой

г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось

л газа (н.y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-3. Смесь магния и оксида магния массой

г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось

л газа (н.у.). Найти массовую долю магния в смеси.
1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой

г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой

г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой

г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось

г меди. Определите состав исходной смеси.
1-6. Какая масса

-ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения

г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом

л (н.у.)?
1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте

г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом

л (н.у.). Определите состав исходной смеси.
1-8. При растворении

г смеси железных и алюминиевых опилок в

-ном растворе соляной кислоты (

г/мл) выделилось

л водорода (н.у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.
к оглавлению ▴
2. Задачи более сложные.
2-1. Смесь кальция и алюминия массой

г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось

л газа (н.у.). Определите массовые доли металлов в смеси.
2-2. Для растворения

г сплава магния с алюминием использовано

мл

-ного раствора серной кислоты (

г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с

мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией

моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н.у.), выделившегося при растворения сплава.
2-3. При растворении

г смеси железа и оксида железа (II) в серной кислоте и выпаривании раствора досуха образовалось

г железного купороса — гептагидрата сульфата железа (II). Определите количественный состав исходной смеси.
2-4. При взаимодействии железа массой

г с хлором образовалась смесь хлоридов железа (II) и (III) массой

г. Вычислите массу хлорида железа (III) в полученной смеси.
2-5. Чему была равна массовая доля калия в его смеси с литием, если в результате обработки этой смеси избытком хлора образовалась смесь, в которой массовая доля хлорида калия составила

?
2-6. После обработки избытком брома смеси калия и магния общей массой

г масса полученной смеси твердых веществ оказалась равной

г. Эту смесь обработали избытком раствора гидроксида натрия, после чего осадок отделили и прокалили до постоянной массы. Вычислите массу полученного при этом остатка.
2-7. Смесь лития и натрия общей массой

г окислили избытком кислорода, всего было израсходовано

л (н.у.). Полученную смесь растворили в

г

-го раствора серной кислоты. Вычислите массовые доли веществ в образовавшемся растворе.
2-8. Сплав алюминия с серебром обработали избытком концентрированного раствора азотной кислоты, остаток растворили в уксусной кислоте. Объемы газов, выделившихся в обеих реакциях измеренные при одинаковых условиях, оказались равными между собой. Вычислите массовые доли металлов в сплаве.
к оглавлению ▴
3-1. При обработке

г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось

л газа. Такой же объем газа выделяется и при обработке этой же смеси такой же массы избытком разбавленной серной кислоты (н.у.). Определите состав исходной смеси в массовых процентах.
3-2. 
г смеси железа, меди и алюминия, взаимодействуя с избытком разбавленной серной кислоты, выделяет

л водорода (н.у.). Определите состав смеси в массовых процентах, если для хлорирования такой же навески смеси требуется

л хлора (н.у.).
3-3. Железные, цинковые и алюминиевые опилки смешаны в мольном отношении

(в порядке перечисления).

г такой смеси обработали избытком хлора. Полученную смесь хлоридов растворили в

мл воды. Определить концентрации веществ в полученном растворе.
3-4. Сплав меди, железа и цинка массой

г (массы всех компонентов равны) поместили в

раствор соляной кислоты массой

г. Рассчитайте массовые доли веществ в получившемся растворе.
3-5. 
г смеси, состоящей из кремния, алюминия и железа, обработали при нагревании избытком гидроксида натрия, при этом выделилось

л газа (н.у.). При действии на такую массу смеси избытка соляной кислоты выделяется

л газа (н.у.). Определите массы веществ в исходной смеси.
3-6. При обработке смеси цинка, меди и железа избытком концентрированного раствора щелочи выделился газ, а масса нерастворившегося остатка оказалась в

раза меньше массы исходной смеси. Этот остаток обработали избытком соляной кислоты, объем выделившегося газа при этом оказался равным объему газа, выделившегося в первом случае (объемы измерялись при одинаковых условиях). Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.
3-7. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов

(в порядке перечисления). Какой минимальный объем воды может вступить в химическое взаимодействие с такой смесью массой

г?
3-8. Смесь хрома, цинка и серебра общей массой

г обработали разбавленной соляной кислотой, масса нерастворившегося остатка оказалась равной

г. Раствор после отделения осадка обработали бромом в щелочной среде, а по окончании реакции обработали избытком нитрата бария. Масса образовавшегося осадка оказалась равной

г. Вычислите массовые доли металлов в исходной смеси.
к оглавлению ▴
Ответы и комментарии к задачам для самостоятельного решения.
1-1.

(алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой);
1-2.

(в щелочи растворяется только амфотерный металл — цинк);
1-3.

;
1-4.

;
1-5.

(железо, вытесняя медь, переходит в степень окисления

);
1-6.

г;
1-7.

(железо в азотной кислоте переходит в

);
1-8.

(железо в реакции с соляной кислотой переходит в

);

мл раствора

.
2-1.

(кальций и алюминий с графитом (углеродом) образуют карбиды

и

; при их гидролизе водой или

выделяются, соответственно, ацетилен

и метан

);
2-2.

;
2-3.

(гептагидрат сульфата железа —

);
2-4.

г;
2-5.

;
2-6.

г;
2-7.

(при окислении кислородом лития образуется его оксид, а при окислении натрия — пероксид

, который в воде гидролизуется до пероксида водорода и щелочи);
2-8.

;
3-1.

;
3-2.

;
3-3.

(железо в реакции с хлором переходит в степень окисления

);
3-4.

(не забудьте, что медь не реагирует с соляной кислотой, поэтому её масса не входит в массу нового раствора);
3-5.

г

г

г

(кремний — неметалл, он реагирует с раствором щелочи, образуя силикат натрия и водород; с соляной кислотой он не реагирует);
3-6.

;
3-7.

мл;
3-8.

(хром при растворении в соляной кислоте переходит в хлорид хрома (II), который при действии брома в щелочной среде переходит в хромат; при добавлении соли бария образуется нерастворимый хромат бария)
Благодарим за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Задачи на смеси и сплавы на ЕГЭ по химии» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.
Публикация обновлена:
07.06.2023