Съдържание

НОХ 2013, III кръг (национален), 10–12 клас — Задача 3

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от НОХ 2013

МОМН, ХLV НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА – 2013 година. Национален кръг, 29 – 30 март. Учебно съдържание X – XII клас · 29 март 2013 г. · 30 т.

Условие

Боракс е тривиалното име на химичното съединение $\mathrm{Na_2B_4O_7\times10H_2O}$ . Това е най-известната сол на слабата тетраборна киселина, която не е позната в свободно състояние. В молекулата на боракс се съдържа тетраборатен анион, който има следния състав: $\mathrm{B_4O_5(OH)_4^{2–}}$ .

1. Запишете химичната формула на боракс, от която да е видно присъствието на тетраборатния анион.

2. Скицирайте структурната формула на тетраборатен анион, като имате предвид, че два борни атома в него са в $sp^2$ -хибридно и два – в $sp^3$ -хибридно състояние.

Боракс е първичен стандарт в протонометрията (киселинно-основната титриметрия) за стандартизиране на киселини. За целта се приготвя разтвор на боракс с точна концентрация и той се титрува с киселината, чиято концентрация трябва да се определи.

3. Какъв химичен характер има воден разтвор на боракс? Обяснете отговора си.

При взаимодействие на боракс със солна киселина във воден разтвор, протича реакцията:

\mathrm{B_4O_7^{2–} + H_3O^{+} \longrightarrow B(OH)_3}

4. Изразете процеса с изравнено химично уравнение.

За стандартизиране на солна киселина, 1,053 g боракс е разтворен и разреден до 50,00 mL с вода; 10,00 mL от този разтвор се титруват с 10,33 mL от разтвора на солна киселина.

5. Колко е молната концентрация на солна киселина?

Борната киселина $\mathrm{B(OH)_3}$ е слаба монопротонна киселина и във воден разтвор се депротонира незначително:

\mathrm{B(OH)_3 + H_2O \rightleftarrows B(OH)_2O^{–} + H_3O^{+}},\qquad K_\mathrm{a} = 5.8\times10^{-10}

6. Колко е pH на изтитрувания разтвор?

Към този (изтитрувания) разтвор са добавени 9,67 mL разтвор на натриева основа, с 14,04 mL от който, се титруват 15,00 mL от стандартизирания разтвор на солна киселина.

7. а) Каква част от борната киселина взаимодейства с добавената натриева основа?

б) Колко е pH на получилия се разтвор?

Отговори

Решение

$\mathrm{Na_2B_4O_5(OH)_4\times8H_2O}$

Структурна формула на тетраборатния анион в квадратни скоби със заряд 2-: четири борни атома B, свързани чрез мостови кислородни атоми O в бициклична структура; два от борните атоми носят по една OH група (HO, OH) извън цикъла, а другите два – също по една OH група; горе има мостов O между двата централни B атома.

(структурна формула – вж. фигурата) $\quad\mathrm{B_4O_5(OH)_4^{2–}}$
Основен; боракс е сол на силна основа (NaOH) и слаба киселина ( $\mathrm{H_2B_4O_7}$ )
$\mathrm{B_4O_7^{2–} + \mathbf{2}H_3O^{+} + \mathbf{3}H_2O \longrightarrow \mathbf{4}B(OH)_3}$
$c(\mathrm{HCl})=\frac{2}{5}\times\frac{n(\text{боракс})}{V(\mathrm{HCl})}=\frac{2}{5}\times\frac{1.053\ \mathrm{g}\ /\ 381.33\ \mathrm{g/mol}}{10.33\times10^{-3}\ \mathrm{L}}=0.1069\ \mathrm{mol/L}$
$K_\mathrm{a}=\frac{[\mathrm{B(OH)_2O^-}][\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{B(OH)_3}]}\approx\frac{[\mathrm{H_3O^+}]^2}{c(\mathrm{B(OH)_3})}=5.8\times10^{-10}$

c(\mathrm{B(OH)_3})=\frac{4n(\text{боракс})}{V(\text{разтвор})}=\frac{1.053\ \mathrm{g}}{381.33\ \mathrm{g/mol}}\times\frac{4}{5}\times\frac{1}{(10.00+10.33)\times10^{-3}\ \mathrm{L}}=0.1087\ \mathrm{mol/L}

[\mathrm{H_3O^+}]=\sqrt{K_\mathrm{a}c(\mathrm{B(OH)_3})}=\sqrt{5.8\times10^{-10}\times0.1087}=7.94\times10^{-6}=10^{-5.10}\ \mathrm{mol/L};\ \mathrm{pH}=5.10

$n_0(\mathrm{B(OH)_3})=c(\mathrm{B(OH)_3})V(\text{разтвор})=0.1087\ \mathrm{mol/L}\times20.33\ \mathrm{mL}=2.210\ \mathrm{mmol}$

n_0(\mathrm{NaOH})=\frac{c(\mathrm{HCl})V'(\mathrm{HCl})}{V'(\mathrm{NaOH})}V(\mathrm{NaOH})=\frac{0{,}107\ \mathrm{mol/L}\times15{,}00\ \mathrm{mL}}{14{,}04\ \mathrm{mL}}\times9{,}67\ \mathrm{mL}=1.104\ \mathrm{mmol}

а) $n_0(\mathrm{NaOH})\ /\ n_0(\mathrm{B(OH)_3})$ = ½ част от $\mathrm{B(OH)_3}$ взаимодейства

б) $\mathrm{B(OH)_3 + OH^{–} \leftrightarrows B(OH)_2O^{–} + H_2O}$

	$\mathrm{B(OH)_3}$	$\mathrm{OH^–}$	$\mathrm{B(OH)_2O^–}$
$n_0$ :	2.210	1.105	/	(mmol)
$n$ :	1.105	/	1.105	(mmol)

В разтвора се съдържат равни концентрации от $\mathrm{B(OH)_3}$ и $\mathrm{B(OH)_2O^–}$ .

От израза за $K_\mathrm{a}$ следва $[\mathrm{H_3O^+}] = K_\mathrm{a}$ , $\quad\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_\mathrm{a} = 9.24$

Оригинал в Архива: Problems.pdf · официални решения: Solutions.pdf