НОХ 2014, III кръг (национален), 10–12 клас, експеримент — Задача 1

МОН, XLVI НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА – 2014 година · Национален кръг, 21 – 23 март · Учебно съдържание X – XII клас

Внимание: Бележка към темата

В условието на т. 3 се споменава Фигура 2, но архивният файл съдържа само Фигура 1. В прегледаната папка за националния кръг през 2014 г. няма допълнителна фигура, протокол или официално решение за експеримента. Във въведението са посочени смеси (i)–(vi), а са отпечатани само (i)–(v); запазени са всички отпечатани данни и формули.

Условие

Прочетете внимателно условието на цялата задача, преди да я решавате!

Част I — Качествен анализ

На статива пред вас има четири номерирани епруветки. В едната има разтвор на натриева основа, а в останалите три – водни разтвори на индивидуални неорганични соли на кислородсъдържащи киселини. Солите не са двойни; съставени са само от изучавани от вас йони. Две от разтворените вещества дисоциират до натриеви катиони, а останалите две – до катиони на химични елементи от един и същ период на периодичната таблица.

1. Определете кое е разтвореното вещество във всяка от епруветките без да използвате допълнителни реактиви.

2. Изразете с изравнени химични уравнения взаимодействията между йоните на откритите вещества.

Част II — Определяне на pH на разтвор

Слабите киселини във воден разтвор дисоциират непълно. Ако киселината е полипротонна, дисоциацията протича последователно. За хипотетична трипротонна киселина H₃A:

H3A+H2O⇌H2A−+H3O+,Ka,1=6.0×10−3=10−2.22;\mathrm{H_3A} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_2A^-} + \mathrm{H_3O^+}, \quad K_{a,1} = 6.0\times10^{-3} = 10^{-2.22};
H2A−+H2O⇌HA2−+H3O+,Ka,2=3.0×10−7=10−6.52;\mathrm{H_2A^-} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{HA^{2-}} + \mathrm{H_3O^+}, \quad K_{a,2} = 3.0\times10^{-7} = 10^{-6.52};
HA2−+H2O⇌A3−+H3O+,Ka,3=1.5×10−11=10−10.82\mathrm{HA^{2-}} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{A^{3-}} + \mathrm{H_3O^+}, \quad K_{a,3} = 1.5\times10^{-11} = 10^{-10.82}

Поради това, в зависимост от киселинността на средата, в разтвора могат да присъстват различни форми на киселината: H₃A, H₂A⁻, HA²⁻ и A³⁻. От значението на pH и степенните дисоциационни константи Ka,iK_{a,i}, може да се определи молната част (χ) и концентрацията на всяка форма на киселината, присъстваща в разтвора:

χ(H3−iAi−)=[H3O+]3−iW(H3A)=[H3−iAi−]c(H3A),(W(H3A)=f(pH,Ka,i),c(H3A)=[H3A]+[H2A−]+[HA2−]+[A3−])\chi(\mathrm{H_{3-i}A^{i-}}) = \frac{[\mathrm{H_3O^+}]^{3-i}}{W(\mathrm{H_3A})} = \frac{[\mathrm{H_{3-i}A^{i-}}]}{c(\mathrm{H_3A})}, \quad (W(\mathrm{H_3A}) = f(\mathrm{pH}, K_{a,i}), \quad c(\mathrm{H_3A}) = [\mathrm{H_3A}] + [\mathrm{H_2A^-}] + [\mathrm{HA^{2-}}] + [\mathrm{A^{3-}}])

Графичната зависимост на молните части на формите на киселината, χ(X), от pH се нарича разпределителна диаграма. (На Фигура 1 е показана разпределителната диаграма на киселината H₃A.)

От разпределителната диаграма може да се определи приблизително:

  • кои форми на киселината присъстват в разтвора при дадено pH;
  • колко е pH на разтвор, от дадена(и) форма(и) на киселината.

Разтворите (i) – (vi), по-долу, са приготвени от следните 4 разтвора:

  • 0,10 M NaOH;
  • натриевата сол от качествения анализ (Част I), която ще означим сол A: – разтворът на A е с концентрация 0,096 mol/L,
    – и има алкална реакция (pH > 12);
  • още една натриева сол (сол Б), която е на същата киселина, като солта A: – разтворът на Б е слабо основен – pH = 8,3;
    – и е с концентрация 0,12 mol/L;
  • и 0,098 M азотна киселина

3. Определете коя е солта Б, като имате предвид и разпределителните диаграми на Фигура 2. Как се нарича тази сол в практиката?

Разпределителна диаграма: молните части на H₃A, H₂A⁻, HA²⁻ и A³⁻ спрямо pH, с обозначени преходи при 2.22, 6.52 и 10.82 и стойности под 0.0, 4.37, 8.67 и над 13.0.
Фигура 1. Разпределителна диаграма на киселината H₃A. (В квадратчетата са значенията на pH в разтвор със състав отговарящ на съответната точка от разпределителната диаграма.)

Приготвени са следните хомогенни смеси:
(i) 10,2 mL от разтвор Б и 6,1 mL от разтвора на NaOH;
(ii) 9,8 mL от разтвор A и 9,6 mL от разтвора на HNO₃;
(iii) 11,4 mL от разтвор A и 5,6 mL от разтвора на HNO₃;
(iv) 11,6 mL от разтвор Б и 14,2 mL от разтвора на HNO₃;
(v) 10,6 mL от разтвор Б и 6,5 mL от разтвора на HNO₃;

4. а) Определете какво(и) вещество(а) се съдържа(т) във всяка от тези смеси и приблизетелно колко е pH на всяка от тях? Напишете реакциите, които протичат.
б) Колко е молната концентрация на разтвора за тази от смеси (i) – (v), в която изходните вещества са смесени в молно отношение 1:1 и pH > 7?

От 7.6 mL разтвор на солта Б трябва да се приготви разтвор с pH 6,35.

5. а) Кой от останалите 3 разтвора (на NaOH, на солта A и на HNO₃) и колко милилитра трябва да се добави към разтвора на Б?
б) Какви вещества (освен вода) се съдържат в така приготвения разтвор и колко е количеството вещество на всяко от тях?

Отговорите на всички въпроси записвайте НА УКАЗАНОТО МЯСТО В ПРОТОКОЛА.

Решение

Внимание: Непълно решение

В архива липсва документ с официални решения за тази задача.

Оригинал в Архива: Experimental.pdf