Решение:
M(H2O) = 18 г/моль;
Ar(Cu) = 64 г/моль;
M(CuО) = 80 г/моль;
M(HNO3) = 63 г/моль;
M[Cu(NO3)2] = 188 г/моль.
При пропускании водорода над 4 г смеси оксида меди (II) и оксида кремния (IV) реакция будет протекать только с оксидом меди (II) по схеме:
CuО + H2 = Cu + H2О
1) Рассчитаем массу оксида меди (II), получим:
m(CuO) = m(смеси) * w%(CuO) = 4 * 0,8 = 3,2 г.
2) Рассчитаем количество оксида меди (II), получим:
n(CuO) = m(CuO)/M(CuO) = 3,2/64 = 0,05 моль.
3) Рассчитаем массу 60%-го раствора азотной кислоты, получим:
m(р-ра) = V(р-ра) * p(р-ра) = 20 * 1,4 = 28 г.
4) Рассчитаем массу воды, содержащейся в 20 мл 60%-го раствора азотной кислоты, получим:
m1(Н2О) = m(р-ра) - m(HNO3) = 28 - 16,8 = 11,2 г.
5) Рассчитаем массу HNO3 в 20 мл её 60%-го раствора, получим:
m1(HNO3) = m(р-ра) * w%(р-ра) /100% = (28 * 60%)/100% = 16,8г.
6) Рассчитаем количество HNO3, получим:
n(HNO3) = m1(HNO3)/M(HNO3) = 16,8/63 = 0,27 моль.
Реакция между медью и концентрированной азотной кислотой относится к окислительно-восстановительным реакциям. Восстановителем в ней является медь, а окислителем азотная кислота. Уравнение реакции имеет вид:
Сu + 4HNO3(60%) = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O + Q
Из уравнения реакции вытекает, что 1 моль меди реагирует с 4 моль азотной кислоты, Сu : HNO3 = 1 : 4, т. е. 0.05 моль Cu должно прореагировать с 0,20 моль HNO3 (0,05 * 4 = 0,20). В избытке взята HNO3, а в недостатке - Cu, так как 0,27 > 0,20. Тогда расчет соли Cu(NO3)2 будем вести по Cu. Отсюда
n[Cu(NO3)2] = n(Cu) = 0,05 моль.
7) Рассчитаем массу соли в растворе, получим:
m[Cu(NO3)2] = n[Cu(NO3)2] * M[Cu(NO3)2] = 0,05 * 188 = 9,4 г.
Так как азотная кислота в избытке, то после реакции в растворе останется не прореагировшая ее часть в количестве 0,07 моль (0,27 - 0,20 = 0,07).
8) Рассчитаем массу оставшейся азотной кислоты в растворе, получим:
m2(HNO3) = n(HNO3) * M(HNO3) = 0,07 * 63 = 4,4 г.
Из уравнения вытекает, что на 1 моль соли Cu(NO3)2 образуется 2 моль Н2О. Отсюда
n(H2O) = 2n[Cu(NO3)2] = 2 * 0,05 = 0,1 моль.
9) Рассчитаем массу образовавшейся в результате реакции воды, получим:
m2(H2O) = n(H2O) * M(H2O) = 0,1 * 18 = 1,8 г.
10) Рассчитаем масу раствора после реакции, получим:
m2(р-ра) = m1(Н2О) + m2(Н2О) + m2(HNO3) + m[Cu(NO3)2] = 11,2 + 1,8 + 4,4 + 9,4 = 26,8 г.
11) Найдем массовую долю соли в образовавшемся растворе, получим:
w%[Cu(NO3)2] = {m[Cu(NO3)2] * 100%}/m2(р-ра) = (9,4 * 100%)/26,8 = 35%.
Ответ: w%[Cu(NO3)2] = 35%.