Opgaven over mengsels en legeringen voor het eindexamen scheikunde

Opdrachten over mengsels en legeringen bij het eindexamen scheikunde
Auteur van het artikel — professionele bijlesdocent O. V. Ovtsjinnikova.
Opdrachten over mengsels en legeringen zijn een heel vaak voorkomend type opdrachten bij het eindexamen scheikunde. Ze vereisen een helder inzicht in welke stoffen wel deelnemen aan de reactie in de opgave en welke niet.
We spreken van een mengsel wanneer we niet één, maar meerdere stoffen (componenten) in één vat “bijeengebracht” hebben. Deze stoffen mogen niet met elkaar reageren.
Typische misverstanden en fouten bij het oplossen van mengselopgaven.
Poging om beide stoffen in één reactie op te schrijven.
Hier is een van de vaak voorkomende fouten:
«Een mengsel van calcium‑ en bariumoxiden werd opgelost in zoutzuur…»
Veel scholieren schrijven de reactievergelijking als volgt:

Dit is een fout. Want in dat mengsel kunnen willekeurige hoeveelheden van elk oxide zitten!
In de gegeven vergelijking wordt aangenomen dat ze in gelijke hoeveelheid aanwezig zijn.
De aanname dat hun molverhouding overeenkomt met de coëfficiënten in de reactievergelijkingen.
Bijvoorbeeld:

De hoeveelheid zink wordt aangenomen als 1, en de hoeveelheid aluminium als 2 (in overeenstemming met de coëfficiënt in de reactievergelijking). Dat is ook onjuist. Deze hoeveelheden kunnen willekeurig zijn en zijn niet onderling gerelateerd.
Pogingen om de “hoeveelheid stof van het mengsel” te vinden door de massa te delen door de som van de molaire massa’s van de componenten.
Deze bewerking is volstrekt zinloos. Iedere molaire massa kan alleen betrekking hebben op een afzonderlijke stof.
Vaak wordt in zulke opgaven de reactie van metalen met zuren gebruikt. Voor het oplossen van zulke opgaven moet men precies weten welke metalen met welke zuren reageren, en welke niet.
Benodigde theoretische kennis.
Manieren om de samenstelling van mengsels uit te drukken.
Massafractie van een component in een mengsel — de verhouding van de massa van de component tot de massa van het gehele mengsel. Gewoonlijk drukt men de massafractie uit in %, maar dat is niet verplicht.

waarbij – “omega”, de massafractie van de component in het mengsel; – de massa van de component; – de massa van het mengsel
Molaire fractie van een component in het mengsel — de verhouding van het aantal mol (hoeveelheid stof) van de component tot het totale aantal mol van alle stoffen in het mengsel. Bijvoorbeeld, als in het mengsel stoffen A, B en C zitten, dan:

waarbij – “chi”, de molaire fractie van de component in het mengsel; – het aantal mol (hoeveelheid stof) van component A
Molverhouding van componenten.
Soms wordt in opgaven voor een mengsel de molverhouding van de bestanddelen gegeven. Bijvoorbeeld:

Volume­fractie van een component in een mengsel (alleen voor gassen) — de verhouding van het volume van stof A tot het totale volume van het gasmengsel.

waarbij – “phi”, de volumefractie van de component in het mengsel; – het volume van stof A; – het totale volume van het gasmengsel
Elektrochemische spanningsreeks van metalen.
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
Reacties van metalen met zuren.
Alle metalen die in de elektrochemische spanningsreeks vóór (links van) water staan, reageren met minerale zuren (dat wil zeggen alle oplosbare zuren, behalve salpeterzuur en geconcentreerd zwavelzuur, waarvan de reacties met metalen bijzonder verlopen).
Metalen met meerdere oxidatietoestanden (ijzer, chroom, mangaan, kobalt) vertonen de kleinste mogelijke oxidatietoestand — meestal 2+.
De interactie van metalen met salpeterzuur leidt tot de vorming van stikstof-reductieproducten in plaats van waterstof, en met geconcentreerd zwavelzuur tot zwavel-reductieproducten. Omdat in werkelijkheid een mengsel van reductieproducten wordt gevormd, is er in de opgave vaak een directe aanwijzing voor een specifiek product.
Reductieproducten van salpeterzuur.
Hoe actiever het metaal en hoe lager de zuurconcentratie, hoe verder het stikstof wordt gereduceerd:

Niet-actieve metalen (rechts van ijzer) + geconcentreerd zuur
Niet-metalen + geconcentreerd zuur
Niet-actieve metalen (rechts van ijzer) + verdund zuur
Actieve metalen (alkalimetalen, aardalkalimetalen, zink) + geconcentreerd zuur
Actieve metalen (alkalimetalen, aardalkalimetalen, zink) + matig verdund zuur
Actieve metalen (alkalimetalen, aardalkalimetalen, zink) + zeer verdund zuur
Passivering: geen reactie met koud geconcentreerd salpeterzuur:

Geen reactie met salpeterzuur bij welke concentratie dan ook:

Reductieproducten van zwavelzuur.

Niet-actieve metalen (rechts van ijzer) + geconcentreerd zuur
Niet-metalen + geconcentreerd zuur
Aardalkalimetalen + geconcentreerd zuur
Alkalimetalen en zink + geconcentreerd zuur
Verdund zwavelzuur gedraagt zich als een gewoon mineraalzuur (bijv. zoutzuur)
Passivering: geen reactie met koud geconcentreerd zwavelzuur:

Geen reactie met zwavelzuur bij welke concentratie dan ook:

Reacties van metalen met water en met basen.
In water bij kamertemperatuur lossen alleen die metalen op die overeenkomen met oplosbare basen (alkaliën). Dat zijn de alkalimetalen (groep I) en de metalen van groep IIA. Daarbij ontstaan een base en waterstof. Bij koken van water kan men ook magnesium oplossen.
In een base kunnen alleen amfotere metalen oplossen: aluminium, zink en tin. Daarbij ontstaan hydroxocomplexen en komt waterstof vrij.
Let op! Veel fouten bij het oplossen van eindexamenopgaven in scheikunde zijn te wijten aan gebrekkige wiskundige vaardigheden. Speciaal voor jullie — een stuk over hoe men opdrachten over percentages, legeringen en mengsels oplost.
Voorbeelden van oplossingsmethoden.
We bekijken drie voorbeeldopgaven waarin metaalmengsels reageren met zoutzuur:
Voorbeeld 1. Op een mengsel van koper en ijzer met massa 20 g werkte men een overmaat zoutzuur toe, waarbij 5,6 L gas (bij NTP) vrijkwam. Bepaal de massafracties van de metalen in het mengsel.
In het eerste voorbeeld reageert koper niet met zoutzuur, dus waterstof ontstaat bij de reactie van zuur met ijzer. Zo kunnen we, uitgaande van het volume waterstof, direct de hoeveelheid en massa van ijzer bepalen. En dan de massafracties van de stoffen in het mengsel.
Oplossing voorbeeld 1.
We bepalen de hoeveelheid waterstof: n mol.
Volgens de reactievergelijking:

De hoeveelheid ijzer is ook 0,25 mol. We kunnen zijn massa berekenen:
m gram.
Nu kunnen we de massafracties van de metalen in het mengsel berekenen:
Antwoord: ijzer, koper.
Voorbeeld 2. Op een mengsel van aluminium en ijzer met massa 11 g werkte men een overmaat zoutzuur toe, waarbij 8,96 L gas (bij NTP) vrijkwam. Bepaal de massafracties van de metalen in het mengsel.

De molverhouding = …
We weten het totale aantal mol waterstof = … (dit is de eerste vergelijking).
Voor het mengsel drukt men de massa’s uit via de hoeveelheden stoffen. Dus de massa van aluminium = …, de massa van ijzer = …, en de totale massa … (dit is de tweede vergelijking).
We krijgen een stelsel van twee vergelijkingen:
We lossen dit stelsel op bijv. door de eerste vergelijking te vermenigvuldigen met 18 en af te trekken van de tweede:

mol = …
mol = …
Vervolgens berekenen we de massa’s van de metalen en hun massafracties in het mengsel:
g
g
respectievelijk
Antwoord: ijzer, aluminium.
Voorbeeld 3. Een mengsel van zink, aluminium en koper met massa 16 g werd behandeld met overmaat zoutzuur. Daarbij kwam 5,6 L gas (bij NTP) vrij en bleef 5 g van de stof onveranderd. Bepaal de massafracties van de metalen in het mengsel.
In het derde voorbeeld reageren twee metalen, en de derde metaal (koper) reageert niet. Dus het resterende 5 g is de massa koper. De hoeveelheden van de andere twee metalen — zink en aluminium — (let op: hun gezamenlijke massa is 16 − 5 = 11 g) kunnen we vinden met een stelsel vergelijkingen, zoals in voorbeeld 2.
Antwoord bij voorbeeld 3: 56,25 % zink, 12,5 % aluminium, 31,25 % koper.
De volgende drie voorbeeldopgaven (nr. 4, 5, 6) bevatten reacties van metalen met salpeterzuur en zwavelzuur. Het belangrijkste is in zulke opgaven te bepalen welk metaal wel zal oplossen en welk niet.

Het aantal mol waterstof: n mol, molverhouding aluminium : waterstof = …, dus aluminium = … mol.
Massa aluminium:
g
Het resterende deel is ijzer met massa 3 g. De totale massa van het mengsel is … g.
De massafracties van de metalen: …
Antwoord: koper, aluminium, ijzer.
Voorbeeld 5. 21,1 g van een mengsel van zink en aluminium werd opgelost in 565 mL salpeterzuuroplossing met 20 gew. % HNO₃ en dichtheid 1,115 g/mL. Het volume vrijkomend gas (eenvoudige stof, het enige reductieproduct van salpeterzuur) bedroeg 2,912 L (bij NTP). Bepaal de samenstelling van de resulterende oplossing in massaprocenten. (RCHT)
In de tekst van deze opgave staat het reductieproduct van stikstof expliciet aangeduid — “eenvoudige stof”. Omdat salpeterzuur met metalen geen waterstof geeft, is dat stikstof. Beide metalen losten volledig op in het zuur.
In de opgave wordt niet gevraagd naar de samenstelling van het oorspronkelijke metaalmengsel, maar naar de samenstelling van de oplossing na de reacties. Dit maakt de opgave ingewikkelder.
Oplossing voorbeeld 5.
Bepaal de hoeveelheid gas (stikstof): n mol.
Bepaal de massa van de salpeterzuuroplossing, de massa en hoeveelheid opgeloste HNO₃: g, g, mol.
Let erop dat de metalen volledig oplossen, wat betekent dat er precies genoeg zuur is (metalen reageren niet met water). Men moet controleren of zuur overblijft en hoeveel.
Stel de reactievergelijkingen op (met elektronbalans), en voor de berekeningen nemen we x = hoeveelheid zink en y = hoeveelheid aluminium. Volgens de coëfficiënten ontstaat bij de eerste reactie … mol stikstof, bij de tweede … mol:

Met de massa’s van het metaalmengsel (g) en hun molaire massa’s (g/mol) krijgen we een stelsel vergelijkingen:
– hoeveelheid stikstof – massa van het metaalmengsel.
We lossen dit stelsel op, bijv. door de eerste vergelijking te vermenigvuldigen en af te trekken.
Zo vinden we mol x en mol y.
Controleer de massa van het metaalmengsel = g.
Vervolgens gaan we naar de samenstelling van de oplossing. Het is handig de reacties opnieuw te schrijven en de hoeveelheden van alle reagerende en gevormde stoffen (behalve water) op te schrijven.

De volgende vraag: is er zoutzuur over in de oplossing en hoeveel? Volgens de reactievergelijkingen is de hoeveelheid zuren die gereageerd heeft = mol, dat wil zeggen dat het zuur in overmaat was — bepaal de overmaat in mol en in g.
Dus in de eindoplossing bevinden zich:
– zink­nitraat in hoeveelheid mol → g
– aluminium­nitraat in hoeveelheid mol → g
– overmaat salpeterzuur in mol → g
De totale massa van de eindoplossing is:
Som van de massa’s van de gemengde oplossingen en stoffen minus de massa van gassen en eventuele neerslag.
Massa eindoplossing = g.
Nu kunnen we de massafracties berekenen van de stoffen in de resulterende oplossing: …
Antwoord: nitraat van zink, nitraat van aluminium, salpeterzuur.

1. Eenvoudige opgaven met twee componenten mengsel.
   1‑1. Een mengsel van koper en aluminium met massa g werd behandeld met een x‑normale oplossing van salpeterzuur, waarbij … L gas (bij NTP) vrijkwam. Bepaal de massafractie van aluminium in het mengsel.
   1‑2. Een mengsel van koper en zink met massa g werd behandeld met geconcentreerde loog, waarbij … L gas (bij NTP) vrijkwam. Bereken de massafractie van zink in het oorspronkelijke mengsel.
   1‑3. Een mengsel van magnesium en magnesiumoxide met massa g werd behandeld met voldoende verdund zwavelzuur, waarbij … L gas (bij NTP) vrijkwam. Vind de massafractie van magnesium in het mengsel.
   1‑4. Een mengsel van zink en zinkoxide met massa g werd opgelost in verdund zwavelzuur. Er werd zinksulfaat gevormd met massa g. Bereken de massafractie van zink in het oorspronkelijke mengsel.
   1‑5. Bij de werking van een mengsel van ijzer en zink poeder met massa g op een overmaat kopert(II)chloride-oplossing werd g koper gevormd. Bepaal de samenstelling van het oorspronkelijke mengsel.
   1‑6. Welke massa van een x‑normale zoutzuuroplossing is nodig om een mengsel van zink en zinkoxide met massa g volledig op te lossen, indien daarbij … L waterstof (bij NTP) vrijkomt?
   1‑7. Bij de oplossing van een mengsel van ijzer en koper met massa g in verdund salpeterzuur komt stikstof(II)oxide vrij met volume … L (bij NTP). Bepaal de samenstelling van het oorspronkelijke mengsel.
   1‑8. Bij het oplossen van een mengsel van ijzer en aluminium spaanders met massa g in een x‑normale zoutzuuroplossing (g/mL) kwam … L waterstof (bij NTP) vrij. Vind de massafracties van de metalen in het mengsel en het volume van het gebruikte zoutzuuroplossing.

2. Moeilijkere opgaven.
   2‑1. Een mengsel van calcium en aluminium met massa g werd verhit zonder lucht in aanwezigheid van overmaat grafietpoeder. Het reactieproduct werd behandeld met verdund zoutzuur, waarbij … L gas (bij NTP) vrijkwam. Bepaal de massafracties van de metalen in het mengsel.
   2‑2. Voor het oplossen van g van een legering van magnesium en aluminium gebruikte men mL x‑normale zwavelzuuroplossing (g/mL). De overmaat zuur reageerde vervolgens met mL kaliumwaterstofcarbonaat-oplossing met concentratie mol/L. Bepaal de massafracties van de metalen in de legering en het volume gas (bij NTP) dat bij de reactie vrijkwam.
   2‑3. Bij het oplossen van g van een mengsel van ijzer en ijzer(II)oxide in zwavelzuur en het indampen van de oplossing tot droog kreeg men g ijzersulfaat-7-water. Bepaal de kwantitatieve samenstelling van het oorspronkelijke mengsel.
   2‑4. Bij de reactie van g ijzer met chloor ontstond een mengsel van ijzer(II) en ijzer(III)chloride met massa g. Bereken de massa van het ijzer(III)chloride in het verkregen mengsel.
   2‑5. Hoeveel was de massafractie van kalium in zijn mengsel met lithium, indien bij reactie met chloor het gevormde mengsel een kaliumchloride-fractie had van %?
   

   2‑6. Na de werking van overmaat broom op een mengsel van kalium en magnesium met totale massa g werd de massa van het resulterende vaste mengsel g. Dit mengsel werd behandeld met overmaat natronloog, het neerslag gescheiden en verhit tot constante massa. Bereken de massa van het overgebleven residu.
   
   2‑7. Een mengsel lithium en natrium met gezamenlijke massa g werd geoxideerd met overmaat zuurstof; er werd totaal … L (bij NTP) verbruikt. Het resulterende mengsel werd opgelost in g x‑normaal zwavelzuur. Bereken de massafracties van de stoffen in de uiteindelijke oplossing.
   2‑8. Een legering van aluminium en zilver werd behandeld met overmaat geconcentreerd salpeterzuur, het restant werd opgelost in azijnzuur. De volumes gas die in beide reacties vrijkwamen (gemeten onder gelijke omstandigheden) waren gelijk. Bepaal de massafracties van de metalen in de legering.

3. Drie metalen en complexe opgaven.
   

   3‑1. Bij de behandeling van g van een mengsel van koper, ijzer en aluminium met overmaat geconcentreerd salpeterzuur kwam … L gas vrij. Hetzelfde volume gas komt vrij bij behandeling van dezelfde massa mengsel met overmaat verdund zwavelzuur (bij NTP). Bepaal de samenstelling van het oorspronkelijke mengsel in massaprocenten.
   
   3‑2. g van een mengsel van ijzer, koper en aluminium genereert bij reactie met overmaat verdund zwavelzuur … L waterstof (bij NTP). Bepaal de samenstelling van het mengsel in massaprocenten, indien voor de chlorering van dezelfde massa mengsel … L chloor (bij NTP) nodig zijn.
   3‑3. Fe‑, Zn‑ en Al‑spaanders zijn gemengd in mol­verhouding (in de gegeven volgorde). g van dit mengsel werd behandeld met overmaat chloor. Het gevormde chloidemengsel werd opgelost in mL water. Bepaal de concentraties van stoffen in de resulterende oplossing.
   3‑4. Een legering van koper, ijzer en zink met massa g (de massa’s van alle componenten zijn gelijk) werd geplaatst in een zoutzuuroplossing met massa g. Bereken de massafracties van de stoffen in de resulterende oplossing.
   3‑5. g van een mengsel bestaande uit silicium, aluminium en ijzer werd behandeld – bij verhitting – met overmaat natriumhydroxide, waarbij … L gas (bij NTP) vrijkwam. Bij behandeling van dezelfde massa mengsel met overmaat zoutzuur komt … L gas vrij. Bepaal de massa’s van de stoffen in het oorspronkelijke mengsel.
   3‑6. Bij behandeling van een mengsel van zink, koper en ijzer met overmaat geconcentreerde loog kwam gas vrij, en de massa van het niet-opgeloste residu bleek 2 keer kleiner dan de massa van het oorspronkelijke mengsel. Dit residu werd behandeld met overmaat zoutzuur, waarbij het volume vrijgekomen gas gelijk was aan dat in de eerste stap (volumes gemeten onder gelijke omstandigheden). Bepaal de massafracties van de metalen in het oorspronkelijke mengsel.
   3‑7. Er is een mengsel van calcium, calciumoxide en calciumcarbide met molverhouding (in gegeven volgorde). Wat is het minimale volume water dat kan reageren met dit mengsel met massa g?
   
   3‑8. Een mengsel van chroom, zink en zilver met totale massa g werd behandeld met verdund zoutzuur; de massa van het onopgeloste residu was g. De oplossing werd daarna behandeld met broom in basische milieu en, na afloop van reactie, met overmaat bariumnitraat. De massa van het gevormde neerslag was g. Bepaal de massafracties van de metalen in het oorspronkelijke mengsel.
   
   Antwoorden en opmerkingen bij de opgaven voor zelfoplossing.
   1‑1. (aluminium reageert niet met geconcentreerd salpeterzuur);
   1‑2. (in loog lost alleen het amfotere metaal zink op);
   1‑3. ;
   1‑4. ;
   1‑5. (ijzer verdringt koper en wordt 2+);
   1‑6. g;
   1‑7. (ijzer in salpeterzuur wordt 2+);
   1‑8. (ijzer in reactie met zoutzuur wordt 2+); ml oplossing.
   2‑1. (calcium en aluminium vormen carbiden met grafiet; bij hydrolyse ontstaan respectievelijk acetyleen en methaan);
   2‑2. ;
   2‑3. (heptahydraat ijzersulfaat = );
   2‑4. g;
   2‑5. ;
   2‑6. g;
   2‑7. (bij oxidatie van lithium ontstaat Li₂O, van natrium peroxide dat in water hydrolyseert tot H₂O₂ en base);
   2‑8. ;
   3‑1. ;
   3‑2. ;
   3‑3. (ijzer wordt in reactie met chloor 2+);
   3‑4. (vergeet niet dat koper niet reageert met zoutzuur, dus zijn massa telt niet mee in de nieuwe oplossing);
   3‑5. g g g (silicium is een niet-metaal, het reageert met loog tot natriumsilicaat en waterstof; met zoutzuur reageert het niet);
   3‑6. ;
   3‑7. mL;
   3‑8. (chroom lost in zoutzuur op naar Cr²⁺, dat bij behandeling met broom in basisch milieu overgaat in chromaat; met bariumnitraat ontstaat neerslag bariumsilicaat)