Opgaver om blandinger og legeringer til den danske gymnasieeksamen i kemi

Opgaver om blandinger og legeringer til EGE i kemi
Forfatter af artiklen — professionel lektor O. V. Ovchinnikova.
Opgaver om blandinger og legeringer er en meget almindelig type opgaver til EGE i kemi. De kræver en klar forestilling om, hvilke stoffer der deltager i den foreslåede reaktion i opgaven, og hvilke der ikke gør det.
Vi taler om en blanding, når vi har ikke ét, men flere stoffer (komponenter), “blevet blandet” i én beholder. Disse stoffer må ikke reagere med hinanden.
Typiske misforståelser og fejl ved løsning af opgaver om blandinger.
Forsøg på at skrive begge stoffer i én reaktion. Her er en af de almindelige fejl:
«Blandingen af calcium- og bariumnitrid blev opløst i saltsyre…»
Mange studerende skriver reaktionsligningen således:

Det er en fejl. For i denne blanding kan der være vilkårlige mængder af hver oxid! Og i den givne ligning forudsættes det, at de er i lige mængde.
Antagelsen om, at deres molforhold svarer til koefficienterne i reaktionsligningerne. For eksempel:

Mængden af zink antages som , og mængden af aluminium — som (i overensstemmelse med koefficienterne i reaktionen). Det er også forkert. Disse mængder kan være vilkårlige og er ikke relateret til hinanden.
Forsøg på at finde “stoffets mængde i blandingen” ved at dividere dens masse med summen af molarmasserne af komponenterne. Denne handling giver i det hele taget ingen mening. Hver molarmasse kan kun knyttes til det enkelte stof.
Ofte bruges metaller-ne med syrer i sådanne opgaver. For at løse sådanne opgaver skal man præcist kende, hvilke metaller reagerer med hvilke syrer, og hvilke der ikke gør det.
Nødvendige teoretiske oplysninger.
Metoder til at udtrykke blandingssammensætning.
Massefraktionen af en komponent i blanding — forholdet mellem komponentens masse og hele blandingens masse. Normalt udtrykkes massefraktionen i %, men det er ikke nødvendigt.

hvor – “omega”, massefraktionen af komponenten i blandingen, – massen af komponenten, – massen af blandingen
Molfraktionen af en komponent i blanding — forholdet mellem antal mol (stofmængde) af komponenten og det samlede antal mol af alle stoffer i blandingen. For eksempel, hvis blandingen indeholder stofferne , og , så:

hvor – “chi”, molfraktionen af komponenten i blanding, – antallet af mol (stofmængde) af komponenten A
Molforholdet mellem komponenterne. Nogle gange angives molforholdet mellem komponenterne i en opgave om blanding. For eksempel:

Rumlige fraktionen af en komponent i blanding (kun for gasser) — forholdet mellem volumen af stof A og det samlede volumen af hele gasblandingen.
hvor – “phi”, rumlige fraktionen af komponenten i blanding, – volumen af stof A, – samlet volumen af hele gasblandingen
Elektrokemisk spændingsrække for metaller.
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
Reaktioner af metaller med syrer.
Metaller reagerer med mineralsyrer (omfattende alle opløselige syrer bortset fra salpetersyre og koncentreret svovlsyre, hvis reaktion med metaller foregår på særlig vis) kun, hvis de ligger før (til venstre for) brint i den elektrokemiske spændingsrække.
Metaller med flere oxidationstrin (jern, krom, mangan, kobolt) udviser den mindst mulige oxidationstilstand — typisk .
Interaktionen mellem metaller og salpetersyre fører til dannelsen, i stedet for hydrogen, af nitrogenreduktionprodukter, og med koncentreret svovlsyre — til dannelsen af reduktionsprodukter af svovl. Da der reelt dannes en blanding af reduktionsprodukter, er der ofte i opgaven en direkte angivelse af et konkret stof.
Reduktionsprodukter af salpetersyre.
Jo mere aktivt metallet er, og jo lavere syrekoncentrationen er, desto længere reduceres nitrogen

Inaktive metaller (til højre for jern) + koncentreret syre
Ikke‑metaller + koncentreret syre
Inaktive metaller (til højre for jern) + fortyndet syre
Aktive metaller (alkali-, jordalkalimetaller, zink) + koncentreret syre
Aktive metaller (alkali-, jordalkalimetaller, zink) + moderat fortyndet syre
Aktive metaller (alkali-, jordalkalimetaller, zink) + meget fortyndet syre
Passivering: med kold koncentreret salpetersyre reagerer ikke:

Reagerer ikke med salpetersyre i nogen koncentration:

Reduktionsprodukter af svovlsyre.

Inaktive metaller (til højre for jern) + koncentreret syre
Ikke‑metaller + koncentreret syre
Jordalkalimetaller + koncentreret syre
Alkalimetaller og zink + koncentreret syre.
Fortyndet svovlsyre opfører sig som en almindelig mineralsyre (f.eks. saltsyre)
Passivering: med kold koncentreret svovlsyre reagere ikke:

Reagerer ikke med svovlsyre under nogen koncentration:

Reaktioner af metaller med vand og baser.
Ved stuetemperatur opløses kun de metaller, som danner opløselige baser (alkalier). Det er alkalimetallerne (), samt metaller i gruppe IIA: . Her dannes der en base og hydrogen. Ved kogning i vand kan man også opløse magnesium.
I baser kan kun amphoteriske metaller opløses: aluminium, zink og tin. Der dannes hydroxokomplekser og hydrogen afgives.
Bemærk! Mange fejl i løsning af EGE-opgaver i kemi hænger sammen med, at eleverne ikke mestrer matematik godt nok. Specielt for jer — materiale om hvordan man løser procent-, legerings- og blandingsopgaver.
Eksempler på løsning af opgaver.
Lad os betragte tre eksempler på opgaver, hvor metalblandinger reagerer med saltsyre:
Eksempel 1. En blanding af kobber og jern med masse 20 g reageres med overskydende saltsyre, og der frigives 5,6 l gas (stp). Bestem massefraktionerne af metallerne i blandingen.
I det første eksempel reagerer kobber ikke med saltsyre, således dannes hydrogen ved reaktionen mellem syren og jernet. Dermed kan vi ud fra volumenet af hydrogen straks finde mængden og massen af jern. Og dermed massefraktionerne af stofferne i blandingen.
Løsning af eksempel 1.
Vi finder mængden af hydrogen: mol.
Ud fra reaktionsligningen:

Mængden af jern er også 0,25 mol. Vi kan finde dets masse:
g.
Nu kan massefraktionerne af metallerne i blandingen beregnes:
Svar: jern, kobber.
Eksempel 2. En blanding af aluminium og jern med masse 11 g reageres med overskydende saltsyre, og der frigives 8,96 l gas (stp). Bestem massefraktionerne af metallerne i blandingen.

– molforhold

Vi kender den samlede mængde hydrogen: mol. Dermed (det første ligning i systemet).
For metalblandingen skal vi udtrykke masserne gennem stofmængderne. Dermed, massen af aluminium

massen af jern

og massen af hele blandingen
(det andet ligning i systemet).
Så har vi et system af to ligninger: Det er meget nemmere at løse sådanne systemer ved subtraktion, idet man ganger den første ligning med 18: og trækker den første ligning fra den anden:

mol
mol
Dernæst finder vi masserne af metallerne og deres massefraktioner i blandingen:
g
g

henholdsvis,
Svar: jern, aluminium.
Eksempel 3. 16 g af en blanding af zink, aluminium og kobber behandles med overskud af saltsyre. Der frigives 5,6 l gas (stp), og der er 5 g stof, der ikke opløses. Bestem massefraktionerne af metallerne i blandingen.
I det tredje eksempel reagerer to metaller, mens det tredje metal (kobber) ikke deltager i reaktionen. Derfor er restmassen på 5 g kobbers masse. Mængderne af de resterende to metaller — zink og aluminium (bemærk at deres samlede masse er 16 − 5 = 11 g) — kan findes ved hjælp af ligningssystem, som i eksempel nr. 2.
Svar til eksempel 3: 56,25 % zink, 12,5 % aluminium, 31,25 % kobber.
De næste tre eksempler (nr. 4, 5, 6) indeholder reaktioner af metaller med salpetersyre og svovlsyre. Det vigtigste i sådanne opgaver er korrekt at afgøre, hvilket metal der vil opløses i syren, og hvilket der ikke vil.

Antal mol hydrogen: mol, molforholdet mellem aluminium og hydrogen og dermed
mol.
Massen af aluminium:
g
Resten er jern med masse 3 g. Vi kan finde massen af blandingen: g.
Massefraktionerne af metallerne:
Svar: kobber, aluminium, jern.
Eksempel 5. 21,1 g af en blanding af zink og aluminium opløses i 565 ml salpetersyreopløsning med 20 vægt‑% HNO₃ og densitet 1,115 g/ml. Volumenet af gas, som er grundstoffet og det eneste reduktionsprodukt af salpetersyren, er 2,912 l (stp). Bestem sammensætningen af den resulterende opløsning i procentvægt. (RCHT)
I denne opgave angives det klart hvilket reduktionsprodukt af nitrogen — “grundstof”. Da salpetersyre med metaller ikke giver hydrogen, er det nitrogen. Begge metaller opløses i syren.
Spørgsmålet i opgaven er ikke sammensætningen af den oprindelige metalblanding, men sammensætningen af den resulterende opløsning efter reaktionerne. Det gør opgaven mere kompleks.
Løsning af eksempel 5.
Vi bestemmer stofmængden af gassen: mol.
Vi bestemmer massen af syreopløsningen, massen og stofmængden af opløst :
g
g
mol
Bemærk, at da metallerne er fuldstændigt opløst, var der tilstrækkelig syre (i vand reagerer disse metaller ikke). Derfor bør man kontrollere, om syren var i overskud, og hvor meget der er tilbage i den resulterende opløsning.
Vi opstiller reaktionsligningerne (glem ikke elektronbalance) og for bekvemmelighed i beregningerne accepterer vi — som zinkmængde, og — som aluminiumsmængde. Så ifølge koefficienterne i reaktionerne dannes nitrogen i første reaktion mol, og i anden reaktion mol:

Så, idet vi tager hensyn til at metalblandingen har masse g, og deres molarmasser er g/mol for zink og g/mol for aluminium, får vi følgende ligningssystem:
– stofmængden af nitrogen – masseblandingen af de to metaller
Det er praktisk at løse dette system ved at multiplicere den første ligning med 90 og trække den første ligning fra den anden.
dvs. mol
dvs. mol
Kontrollér massen af blandingen:
g.
Nu går vi videre til opløsningens sammensætning. Det er nyttigt at genskrive reaktionerne og skrive over reaktionerne mængder af alle reagerede og dannede stoffer (undtagen vand):

Det næste spørgsmål: var der syre tilbage i opløsningen, og hvor meget? Ifølge reaktionsligningerne er mængden af syre, som deltog i reaktionen: mol,
dvs. syren var i overskud, og vi kan beregne dens rest i opløsningen:
mol.
Dermed indeholder den endelige opløsning:
zinknitrat i mængde mol:
g
aluminium‑nitrat i mængde mol:
g
overskud af salpetersyre i mængde mol:
g
Hvad er massen af den endelige opløsning? Husk, at massen af den endelige opløsning består af de komponenter, vi blandede (syreopløsninger og stoffer) minus dem, som forlod opløsningen (bundfald og gasser):
Masse af endelig løsning
  = 
Summen af masserne af blandede opløsninger og/eller stoffer
  – 
Masse af bundfald
  – 
Masse af gasser

Så i vores opgave:
= masse af syreopløsning + masse af metalblandingen – masse af nitrogen
g
g
Nu kan vi beregne massefraktionerne af stoffer i den opnåede opløsning:
Svar: zinknitrat, aluminiumnitrat, salpetersyre.

1. Enkle opgaver med to komponenter i blanding.
   1‑1. En blanding af kobber og aluminium med masse g behandles med n‑løsning af salpetersyre, hvorved l gas (stp) frigives. Bestem massefraktionen af aluminium i blandingen.
   1‑2. En blanding af kobber og zink med masse g behandles med koncentreret base. Ved dette frigives l gas (stp). Beregn massefraktionen af zink i den oprindelige blanding.
   1‑3. En blanding af magnesium og magnesiumoxid med masse g behandles med tilstrækkelig fortyndet svovlsyre. Der frigives l gas (stp). Find massefraktionen af magnesium i blandingen.
   1‑4. En blanding af zink og zinkoxid med masse g opløses i fortyndet svovlsyre. Der dannes zinksulfat med masse g. Beregn massefraktionen af zink i den oprindelige blanding.
   1‑5. Ved påvirkning af en blanding af jern og zink med masse g på overskud af kobber(II)kloridopløsning dannes g kobber. Bestem sammensætningen af den oprindelige blanding.
   1‑6. Hvilken masse af n‑løsning af saltsyre er nødvendig for fuldstændig opløsning af g af en blanding af zink og zinkoxid, hvis der frigives hydrogen med volumen l (stp)?
   1‑7. Ved opløsning i fortyndet salpetersyre af g af en blanding af jern og kobber frigives nitrogenoxid(II) med volumen l (stp). Bestem sammensætningen af blandingen.
   1‑8. Ved opløsning af g af en blanding af jern- og aluminiumspåner i n‑løsning af saltsyre ( g/ml) frigives l hydrogen (stp). Find massefraktionerne af metallerne i blandingen og bestem volumen af forbrugt saltsyre.

2. Mere komplekse opgaver.
   2‑1. En blanding af calcium og aluminium med masse g kalcineres uden luft tilstedeværelse med overskud af grafitpulver. Reaktionsproduktet behandles med fortyndet saltsyre, og der frigives l gas (stp). Bestem massefraktionerne af metallerne i blandingen.
   2‑2. For opløsning af g af en legering af magnesium og aluminium anvendes ml af n‑løsning af svovlsyre ( g/ml). Overskydende syre reagerer med ml af kaliumhydrogencarbonatopløsning med koncentration mol/l. Bestem massefraktionerne af metallerne i legeringen og volumen af gas (stp) frigivet ved opløsning af legeringen.
   2‑3. Ved opløsning af g af en blanding af jern og jern(II)oxid i svovlsyre og indkogning af opløsningen til tørstof dannes g jern(II)sulfat heptahydrat. Bestem den kvantitative sammensætning af den oprindelige blanding.
   2‑4. Ved reaktion af jern med klor dannes en blanding af jernklorider (II) og (III) med masse g. Beregn massen af jern(III)klorid i den dannede blanding.
   2‑5. Hvad var massefraktionen af kalium i dets blanding med lithium, hvis ved behandling af denne blanding med overskud af klor dannes en blanding, hvor massefraktionen af kaliumnitrat er ?
   

   2‑6. Efter behandling med overskud af brom af en blanding af kalium og magnesium med samlet masse g er massen af den dannede faste blanding g. Denne blanding behandles med overskud af natriumhydroxidopløsning, hvorefter bundfaldet adskilles og kalcineres til konstant masse. Beregn massen af restproduktet.
   
   2‑7. En blanding af lithium og natrium med samlet masse g oxideres med overskud af ilt, og i alt anvendes l gas (stp). Den resulterende blanding opløses i g af n‑løsning af svovlsyre. Beregn massefraktionerne af stofferne i den dannede opløsning.
   2‑8. En legering af aluminium og sølv behandles med overskud af koncentreret salpetersyre, og restmassen opløses i eddikesyre. De målte gasvolumener ved begge reaktioner (ved samme betingelser) er lige store. Beregn massefraktionerne af metallerne i legeringen.

3. Tre metaller og komplicerede opgaver.
   3‑1. Ved behandling af g af en blanding af kobber, jern og aluminium med overskud af koncentreret salpetersyre frigives l gas. Det samme volumen gas frigives ved behandling af samme masse med overskud af fortyndet svovlsyre (stp). Bestem sammensætningen af den oprindelige blanding i procentvægt.
   3‑2. En blanding af g jern, kobber og aluminium reagerer med overskud af fortyndet svovlsyre og frigiver l hydrogen (stp). Bestem sammensætningen af blandingen i procentvægt, hvis kvantiteten af klor, der kræves til chlorering af samme mængde blanding, er l (stp).
   3‑3. Jern-, zink- og aluminiumspåner blandes i molforhold (i rækkefølgen nævnt). g af denne blanding behandles med overskud af klor. Den dannede blanding af klorider opløses i ml vand. Bestem koncentrationerne af stofferne i den opnåede opløsning.
   3‑4. En legering af kobber, jern og zink med masse g (komponenternes masser er lige) anbringes i saltsyreopløsning med masse g. Beregn massefraktionerne af stofferne i den dannede opløsning.
   

   3‑5. g af en blanding bestående af silicium, aluminium og jern behandles ved opvarmning med overskud af natriumhydroxid, og der frigives l gas (stp). Ved behandling af samme masse med overskud af saltsyre frigives l gas (stp). Bestem masserne af stofferne i den oprindelige blanding.
   
   3‑6. Ved behandling af en blanding af zink, kobber og jern med overskud af koncentreret base frigives gas, og massen af ikke opløst rest er gange mindre end massen af den oprindelige blanding. Denne rest behandles med overskud af saltsyre, og volumenet af gas frigivet ved denne reaktion er lig med volumenet af gas, der frigives i første tilfælde (volumener målt ved samme betingelser). Beregn massefraktionerne af metallerne i den oprindelige blanding.
   3‑7. En blanding af calcium, calciumoxid og calciumcarbid har molforhold mellem komponenterne (i nævnte rækkefølge). Hvilket minimalt volumen vand kan reagere kemisk med en sådan blanding med masse g?
   3‑8. En blanding af krom, zink og kobber med samlet masse g behandles med fortyndet saltsyre; massen af ikke opløst rest er g. Opløsningen efter adskillelse af bundfald behandles med brom i basisk medium, og efter reaktionen behandles den med overskud af bariumnitrat. Massens bundfald bliver g. Beregn massefraktionerne af metallerne i den oprindelige blanding.
   Svar og kommentarer til selvstændige opgaver.
   1‑1. (aluminium reagerer ikke med koncentreret salpetersyre);
   1‑2. (i base opløses kun det amphoteriske metal — zink);
   1‑3. ;
   1‑4. ;
   1‑5. (jern, ved at fortrænge kobber, går til oxidationstilstand );
   1‑6. g;
   1‑7. (jern i salpetersyre går over i );
   1‑8. (jern i reaktionen med saltsyre går over i ); ml opløsning.

2‑1. (calcium og aluminium med grafit (kulstof) danner carbider og ; ved deres hydrolyse med vand dannes henholdsvis acetyl og methan);
2‑2. ;
2‑3. (jern(II)sulfat heptahydrat — );
2‑4. g;
2‑5. ;
2‑6. g;
2‑7. (ved oxidation af lithium dannes dets oxid, og ved oxidation af natrium dannes peroxid , som i vand hydrolyseres til hydrogenperoxid og base);
2‑8. ;

3‑1. ;
3‑2. ;
3‑3. (jern i reaktionen med klor går over i oxidationstilstand );
3‑4. (glem ikke, at kobber ikke reagerer med saltsyre, så dens masse ikke medregnes i den nye opløsning);
3‑5. g g g (silicium — ikke-metal, reagerer med baseopløsning og danner natriumsilikat og hydrogen; det reagerer ikke med saltsyre);
3‑6. ;
3‑7. ml;
3‑8. (krom ved opløsning i saltsyre går over i krom(II)chlorid, som ved virkning med brom i basisk medium omdannes til kromat; ved tilsætning af bariumsalt dannes uopløseligt bariumsilikat)