IChO 1978 · Theory problem 2
Water hardness caused by Fe2+ and Ca2+
A sample of water under investigation had 10° of temporary hardness and 10° of permanent hardness. Hardness of the water was caused by cations \(\ce{Fe^{2+}}\) and \(\ce{Ca^{2+}}\) only.
A volume of \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) of the water was at disposal. From this volume \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) were taken for further procedure. The water was oxidised with a \(\ce{H2O2}\) solution and then precipitated with an aqueous ammonia solution. A brown precipitate was dried and after an appropriate heating \(0.01432\ \mathrm{g}\) of an anhydrous product was obtained.
Problems:
2.1 Calculate the molar ratio of \(\ce{Fe^{2+}}\) : \(\ce{Ca^{2+}}\) in the water under investigation.
2.2 In another experiment, \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) of the water was used again. The temporary hardness caused by cations \(\ce{Ca^{2+}}\) was removed first and the permanent hardness caused by cations \(\ce{Fe^{2+}}\) was removed by addition of \(\ce{Na3PO4}\). Calculate the mass of the precipitate (in its anhydrous form) on the assumption that only one half of cations \(\ce{Fe^{2+}}\) was oxidised to \(\ce{Fe^{3+}}\) in \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) of the water analysed. Calculation should be made with an accuracy of one hundredth. Give the molar ratio in integers.
1° of hardness = \(10\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) in \(1\ \mathrm{dm^3}\) of water.
Relative atomic masses:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
Official English text of the problem.
Answers
-
2.1: The intended integer molar ratio is approximately \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] The printed numerical data give \(1.01150:1\).
-
2.2: The combined anhydrous precipitates from both removal stages weigh \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] The iron phosphate precipitate alone weighs \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\). These results retain the measured iron content and total hardness.
Solution
2.1 — Determination of the iron-to-calcium ratio
Hydrogen peroxide oxidises iron(II) to iron(III). The balanced oxidation equation, written in acidic form, is
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
Aqueous ammonia then precipitates brown hydrous iron(III) hydroxide, conventionally represented as \(\ce{Fe(OH)3}\):
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
In the intended gravimetric procedure, calcium remains in solution. Heating the iron precipitate removes water and gives anhydrous iron(III) oxide:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
Thus the weighed product is \(\ce{Fe2O3}\), with molar mass
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The amount of iron originally present in the \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) aliquot is therefore
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
The total hardness is
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
equivalent to \(200\ \mathrm{mg}\) of \(\ce{CaO}\) per cubic decimetre. The aliquot consequently contains
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
Both hardness-producing cations are divalent, so one mole of either contributes the same hardness as one mole of \(\ce{CaO}\). Since
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
we obtain
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Hence
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
and
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
The intended simple integer ratio is therefore approximately
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
The unrounded amounts, rather than an imposed exact \(1:1\) ratio, are used below.
2.2 — Mass of the anhydrous precipitates
The volume in this experiment is \(100\) times the aliquot volume. Therefore,
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
Temporary calcium hardness is removed by heating, which precipitates calcium carbonate:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
Its molar mass and precipitated mass are
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
Half the iron remains iron(II), and half is oxidised to iron(III):
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Addition of trisodium phosphate supplies phosphate ions. The two precipitation reactions are
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
The products are iron(II) phosphate and iron(III) phosphate, respectively. Their amounts are
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Using anhydrous formula masses,
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Thus,
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
The phosphate precipitate alone therefore weighs
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
Including the calcium carbonate precipitated during the first stage gives
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
Names and SMILES of the chemical species used
For ionic solids, the disconnected SMILES below represent formal formula units. They do not describe the crystal lattice, hydration, or metal coordination geometry; hydrous iron(III) hydroxide is not a discrete molecular species.
| Species and name | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\), iron(II) ion | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\), iron(III) ion | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\), calcium ion | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\), hydrogen ion | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\), hydrogen peroxide | OO |
| \(\ce{H2O}\), water | O |
| \(\ce{NH3}\), ammonia | N |
| \(\ce{NH4+}\), ammonium ion | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\), iron(III) hydroxide | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\), iron(III) oxide | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\), calcium oxide | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\), hydrogen carbonate ion | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\), carbon dioxide | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\), calcium carbonate | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\), trisodium phosphate | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\), phosphate ion | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\), iron(II) phosphate | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\), iron(III) phosphate | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
The solution was checked against the official solution.
IChO 1978 · Theorieaufgabe 2
Durch Fe2+ und Ca2+ verursachte Wasserhärte
Eine untersuchte Wasserprobe hatte eine temporäre Härte von 10° und eine permanente Härte von 10°. Die Wasserhärte wurde ausschließlich durch die Kationen \(\ce{Fe^{2+}}\) und \(\ce{Ca^{2+}}\) verursacht.
Es stand ein Volumen von \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) dieses Wassers zur Verfügung. Davon wurden \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) für die weitere Untersuchung entnommen. Das Wasser wurde mit einer \(\ce{H2O2}\)-Lösung oxidiert und anschließend mit einer wässrigen Ammoniaklösung versetzt, um einen Niederschlag zu fällen. Ein brauner Niederschlag wurde getrocknet; nach geeignetem Erhitzen wurden \(0.01432\ \mathrm{g}\) eines wasserfreien Produkts erhalten.
Aufgaben:
2.1 Berechnen Sie das Stoffmengenverhältnis von \(\ce{Fe^{2+}}\) : \(\ce{Ca^{2+}}\) im untersuchten Wasser.
2.2 In einem weiteren Versuch wurden erneut \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) des Wassers verwendet. Zunächst wurde die durch die Kationen \(\ce{Ca^{2+}}\) verursachte temporäre Härte entfernt, und die durch die Kationen \(\ce{Fe^{2+}}\) verursachte permanente Härte wurde durch Zugabe von \(\ce{Na3PO4}\) entfernt. Berechnen Sie die Masse des Niederschlags (in seiner wasserfreien Form) unter der Annahme, dass in \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) des untersuchten Wassers nur die Hälfte der Kationen \(\ce{Fe^{2+}}\) zu \(\ce{Fe^{3+}}\) oxidiert wurde. Die Berechnung soll auf ein Hundertstel genau erfolgen. Geben Sie das Stoffmengenverhältnis in ganzen Zahlen an.
1° Härte = \(10\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) in \(1\ \mathrm{dm^3}\) Wasser.
Relative Atommassen:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
2.1: Das beabsichtigte ganzzahlige Stoffmengenverhältnis beträgt näherungsweise \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] Aus den abgedruckten Zahlenangaben ergibt sich \(1.01150:1\).
-
2.2: Die wasserfreien Niederschläge aus beiden Entfernungsschritten wiegen zusammen \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] Der Eisenphosphat-Niederschlag allein wiegt \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\). Bei diesen Ergebnissen werden der gemessene Eisengehalt und die Gesamthärte beibehalten.
Lösung
2.1 — Bestimmung des Verhältnisses von Eisen zu Calcium
Wasserstoffperoxid oxidiert Eisen(II) zu Eisen(III). Die ausgeglichene Oxidationsgleichung, für saures Milieu formuliert, lautet
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
Wässrige Ammoniaklösung fällt anschließend braunes, wasserhaltiges Eisen(III)-hydroxid, das üblicherweise als \(\ce{Fe(OH)3}\) dargestellt wird:
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
Bei dem vorgesehenen gravimetrischen Verfahren bleibt Calcium in Lösung. Durch Erhitzen des Eisenniederschlags wird Wasser entfernt, und es entsteht wasserfreies Eisen(III)-oxid:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
Das gewogene Produkt ist somit \(\ce{Fe2O3}\) mit der molaren Masse
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die ursprünglich im Aliquot von \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) enthaltene Stoffmenge an Eisen beträgt daher
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Die Gesamthärte beträgt
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
entsprechend \(200\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) pro Kubikdezimeter. Das Aliquot enthält folglich
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
Beide härtebildenden Kationen sind zweiwertig, sodass ein Mol jedes dieser Kationen denselben Beitrag zur Härte leistet wie ein Mol \(\ce{CaO}\). Mit
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
erhalten wir
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Somit gilt
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
und
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
Das beabsichtigte einfache ganzzahlige Verhältnis beträgt daher näherungsweise
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
Im Folgenden werden die ungerundeten Stoffmengen verwendet, anstatt ein exaktes Verhältnis von \(1:1\) vorzugeben.
2.2 — Masse der wasserfreien Niederschläge
Das Volumen in diesem Versuch beträgt das \(100\)-Fache des Aliquotvolumens. Daher gilt
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
Die temporäre Calciumhärte wird durch Erhitzen entfernt, wobei Calciumcarbonat ausfällt:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
Seine molare Masse und die ausgefällte Masse betragen
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
Die Hälfte des Eisens verbleibt als Eisen(II), die andere Hälfte wird zu Eisen(III) oxidiert:
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Durch Zugabe von Trinatriumphosphat werden Phosphationen zugeführt. Die beiden Fällungsreaktionen lauten
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
Die Produkte sind Eisen(II)-phosphat beziehungsweise Eisen(III)-phosphat. Ihre Stoffmengen betragen
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Für die molaren Massen der wasserfreien Verbindungen gilt
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Somit gilt
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
Der Phosphatniederschlag allein wiegt daher
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
Unter Einbeziehung des im ersten Schritt ausgefällten Calciumcarbonats ergibt sich
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
Namen und SMILES der verwendeten chemischen Spezies
Bei ionischen Feststoffen stellen die nachstehenden SMILES mit unverbundenen Komponenten formale Formeleinheiten dar. Sie beschreiben weder das Kristallgitter noch die Hydratation oder die Koordinationsgeometrie der Metallionen; wasserhaltiges Eisen(III)-hydroxid ist keine diskrete molekulare Spezies.
| Spezies und Name | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\), Eisen(II)-Ion | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\), Eisen(III)-Ion | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\), Calciumion | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\), Wasserstoffion | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\), Wasserstoffperoxid | OO |
| \(\ce{H2O}\), Wasser | O |
| \(\ce{NH3}\), Ammoniak | N |
| \(\ce{NH4+}\), Ammoniumion | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\), Eisen(III)-hydroxid | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\), Eisen(III)-oxid | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\), Calciumoxid | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\), Hydrogencarbonation | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\), Kohlenstoffdioxid | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\), Calciumcarbonat | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\), Trinatriumphosphat | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\), Phosphation | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\), Eisen(II)-phosphat | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\), Eisen(III)-phosphat | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1978 · Teori sorusu 2
Fe2+ ve Ca2+ iyonlarının neden olduğu su sertliği
İncelenen bir su örneğinin geçici sertliği 10°, kalıcı sertliği ise 10° idi. Suyun sertliğine yalnızca \(\ce{Fe^{2+}}\) ve \(\ce{Ca^{2+}}\) katyonları neden oluyordu.
Bu sudan \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) hacminde bir örnek mevcuttu. Sonraki işlemler için bu hacimden \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) alındı. Su, bir \(\ce{H2O2}\) çözeltisiyle yükseltgendi ve ardından sulu amonyak çözeltisiyle çöktürme işlemi yapıldı. Kahverengi çökelek kurutuldu ve uygun şekilde ısıtıldıktan sonra \(0.01432\ \mathrm{g}\) susuz ürün elde edildi.
Sorular:
2.1 İncelenen sudaki \(\ce{Fe^{2+}}\) : \(\ce{Ca^{2+}}\) mol oranını hesaplayınız.
2.2 Başka bir deneyde yine \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) su kullanıldı. Önce \(\ce{Ca^{2+}}\) katyonlarının neden olduğu geçici sertlik giderildi; \(\ce{Fe^{2+}}\) katyonlarının neden olduğu kalıcı sertlik ise \(\ce{Na3PO4}\) eklenerek giderildi. Analiz edilen \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) sudaki \(\ce{Fe^{2+}}\) katyonlarının yalnızca yarısının \(\ce{Fe^{3+}}\) iyonlarına yükseltgendiğini varsayarak çökeleğin kütlesini (susuz hâlde) hesaplayınız. Hesaplama virgülden sonra iki basamak hassasiyetle yapılmalıdır. Mol oranını tam sayılarla veriniz.
1° sertlik = \(1\ \mathrm{dm^3}\) suda \(10\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\).
Bağıl atom kütleleri:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
2.1: Amaçlanan tam sayılı mol oranı yaklaşık olarak \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] Basılı metindeki sayısal veriler \(1.01150:1\) oranını verir.
-
2.2: Her iki sertlik giderme aşamasında oluşan susuz çökeleklerin toplam kütlesi \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] Yalnızca demir fosfat çökeleğinin kütlesi \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\) olur. Bu sonuçlarda ölçülen demir içeriği ve toplam sertlik korunmuştur.
Çözüm
2.1 — Demirin kalsiyuma oranının belirlenmesi
Hidrojen peroksit, demir(II)'yi demir(III)'e yükseltger. Asidik ortam için yazılan denkleştirilmiş yükseltgenme denklemi şöyledir:
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
Ardından sulu amonyak, geleneksel olarak \(\ce{Fe(OH)3}\) ile gösterilen kahverengi sulu demir(III) hidroksidi çöktürür:
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
Amaçlanan gravimetrik işlemde kalsiyum çözeltide kalır. Demir çökeleğinin ısıtılması suyu uzaklaştırır ve susuz demir(III) oksit verir:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
Dolayısıyla tartılan ürün \(\ce{Fe2O3}\) olup mol kütlesi şöyledir:
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Buna göre, \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) hacmindeki alikotta başlangıçta bulunan demirin madde miktarı şöyledir:
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Toplam sertlik
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
olup bu değer, desimetreküp başına \(200\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) miktarına eşdeğerdir. Dolayısıyla alikottaki eşdeğer miktar şöyledir:
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
Sertliğe neden olan her iki katyon da iki değerliklidir; bu nedenle her birinin bir molü, bir mol \(\ce{CaO}\) ile aynı sertlik katkısını yapar.
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
olduğundan şu sonuç elde edilir:
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Böylece
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
ve
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
Dolayısıyla amaçlanan basit tam sayılı oran yaklaşık olarak şöyledir:
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
Aşağıda, tam olarak \(1:1\) oranı dayatılmak yerine yuvarlanmamış madde miktarları kullanılmıştır.
2.2 — Susuz çökeleklerin kütlesi
Bu deneydeki hacim, alikot hacminin \(100\) katıdır. Dolayısıyla,
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
Kalsiyumdan kaynaklanan geçici sertlik, kalsiyum karbonatın çökmesini sağlayan ısıtma işlemiyle giderilir:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
Kalsiyum karbonatın mol kütlesi ve çöken kütlesi şöyledir:
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
Demirin yarısı demir(II) olarak kalır, diğer yarısı ise demir(III)'e yükseltgenir:
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Trisodyum fosfat eklenmesi fosfat iyonlarını sağlar. İki çökelme tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
Ürünler sırasıyla demir(II) fosfat ve demir(III) fosfattır. Madde miktarları şöyledir:
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Susuz bileşiklerin formül kütleleri kullanıldığında,
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Böylece,
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
Dolayısıyla yalnızca fosfat çökeleğinin kütlesi şöyledir:
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
İlk aşamada çöktürülen kalsiyum karbonat da hesaba katıldığında şu sonuç elde edilir:
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
Kullanılan kimyasal türlerin adları ve SMILES gösterimleri
İyonik katılar için aşağıdaki bağlantısız SMILES gösterimleri biçimsel formül birimlerini temsil eder. Bunlar kristal örgüyü, hidratasyonu veya metalin koordinasyon geometrisini tanımlamaz; sulu demir(III) hidroksit ayrı bir moleküler tür değildir.
| Tür ve adı | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\), demir(II) iyonu | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\), demir(III) iyonu | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\), kalsiyum iyonu | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\), hidrojen iyonu | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\), hidrojen peroksit | OO |
| \(\ce{H2O}\), su | O |
| \(\ce{NH3}\), amonyak | N |
| \(\ce{NH4+}\), amonyum iyonu | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\), demir(III) hidroksit | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\), demir(III) oksit | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\), kalsiyum oksit | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\), hidrojen karbonat iyonu | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\), karbon dioksit | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\), kalsiyum karbonat | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\), trisodyum fosfat | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\), fosfat iyonu | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\), demir(II) fosfat | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\), demir(III) fosfat | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1978 · Problema teórico 2
Dureza del agua causada por Fe2+ y Ca2+
Una muestra de agua objeto de estudio tenía 10° de dureza temporal y 10° de dureza permanente. La dureza del agua se debía únicamente a los cationes \(\ce{Fe^{2+}}\) y \(\ce{Ca^{2+}}\).
Se disponía de un volumen de \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) de agua. De este volumen se tomaron \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) para el procedimiento posterior. El agua se oxidó con una disolución de \(\ce{H2O2}\) y, a continuación, se realizó una precipitación con una disolución acuosa de amoníaco. Se secó el precipitado pardo y, tras un calentamiento adecuado, se obtuvieron \(0.01432\ \mathrm{g}\) de un producto anhidro.
Cuestiones:
2.1 Calcule la relación molar de \(\ce{Fe^{2+}}\) : \(\ce{Ca^{2+}}\) en el agua objeto de estudio.
2.2 En otro experimento, se utilizaron de nuevo \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) de agua. Primero se eliminó la dureza temporal causada por los cationes \(\ce{Ca^{2+}}\) y se eliminó la dureza permanente causada por los cationes \(\ce{Fe^{2+}}\) mediante la adición de \(\ce{Na3PO4}\). Calcule la masa del precipitado (en su forma anhidra) suponiendo que solo la mitad de los cationes \(\ce{Fe^{2+}}\) se oxidó a \(\ce{Fe^{3+}}\) en los \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) de agua analizada. El cálculo debe realizarse con una precisión de una centésima. Exprese la relación molar mediante números enteros.
1° de dureza = \(10\ \mathrm{mg}\) de \(\ce{CaO}\) en \(1\ \mathrm{dm^3}\) de agua.
Masas atómicas relativas:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
2.1: La relación molar entre números enteros que se pretende obtener es aproximadamente \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] Los datos numéricos impresos dan \(1.01150:1\).
-
2.2: Los precipitados anhidros de ambas etapas de eliminación tienen una masa conjunta de \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] El precipitado de fosfatos de hierro por sí solo tiene una masa de \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\). Estos resultados mantienen el contenido de hierro medido y la dureza total.
Solución
2.1 — Determinación de la relación entre hierro y calcio
El peróxido de hidrógeno oxida el hierro(II) a hierro(III). La ecuación de oxidación ajustada, escrita en medio ácido, es
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
A continuación, el amoníaco acuoso precipita hidróxido de hierro(III) hidratado de color pardo, representado convencionalmente como \(\ce{Fe(OH)3}\):
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
En el procedimiento gravimétrico previsto, el calcio permanece en disolución. El calentamiento del precipitado de hierro elimina el agua y produce óxido de hierro(III) anhidro:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
Por tanto, el producto pesado es \(\ce{Fe2O3}\), cuya masa molar es
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
La cantidad de hierro presente originalmente en la alícuota de \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) es, por tanto,
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
La dureza total es
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
equivalente a \(200\ \mathrm{mg}\) de \(\ce{CaO}\) por decímetro cúbico. Por consiguiente, la alícuota contiene
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
Ambos cationes responsables de la dureza son divalentes, por lo que un mol de cualquiera de ellos contribuye a la dureza en la misma medida que un mol de \(\ce{CaO}\). Puesto que
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
obtenemos
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto,
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
y
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
La relación sencilla entre números enteros que se pretende obtener es, por tanto, aproximadamente
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
A continuación se utilizan las cantidades sin redondear, en lugar de imponer una relación exacta de \(1:1\).
2.2 — Masa de los precipitados anhidros
El volumen de este experimento es \(100\) veces el volumen de la alícuota. Por tanto,
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
La dureza temporal debida al calcio se elimina mediante calentamiento, que precipita carbonato de calcio:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
Su masa molar y la masa precipitada son
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
La mitad del hierro permanece como hierro(II) y la otra mitad se oxida a hierro(III):
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
La adición de fosfato trisódico aporta iones fosfato. Las dos reacciones de precipitación son
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
Los productos son fosfato de hierro(II) y fosfato de hierro(III), respectivamente. Sus cantidades son
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Utilizando las masas molares correspondientes a las fórmulas anhidras,
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Así,
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
Por tanto, el precipitado de fosfatos por sí solo tiene una masa de
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
Al incluir el carbonato de calcio precipitado durante la primera etapa, se obtiene
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
Nombres y SMILES de las especies químicas utilizadas
Para los sólidos iónicos, los SMILES con componentes desconectados que se muestran a continuación representan unidades fórmula formales. No describen la red cristalina, la hidratación ni la geometría de coordinación del metal; el hidróxido de hierro(III) hidratado no es una especie molecular discreta.
| Especie y nombre | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\), ion hierro(II) | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\), ion hierro(III) | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\), ion calcio | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\), ion hidrógeno | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\), peróxido de hidrógeno | OO |
| \(\ce{H2O}\), agua | O |
| \(\ce{NH3}\), amoníaco | N |
| \(\ce{NH4+}\), ion amonio | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\), hidróxido de hierro(III) | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\), óxido de hierro(III) | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\), óxido de calcio | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\), ion hidrogenocarbonato | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\), dióxido de carbono | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\), carbonato de calcio | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\), fosfato trisódico | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\), ion fosfato | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\), fosfato de hierro(II) | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\), fosfato de hierro(III) | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1978 · 理论题 2
Fe2+ 和 Ca2+ 引起的水的硬度
某待测水样的暂时硬度为 10°,永久硬度为 10°。水的硬度仅由阳离子 \(\ce{Fe^{2+}}\) 和 \(\ce{Ca^{2+}}\) 引起。
现有该水样 \(10.00\ \mathrm{dm^3}\)。从中取出 \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) 进行后续操作。用 \(\ce{H2O2}\) 溶液氧化水样,然后加入氨水使其生成沉淀。将棕色沉淀干燥,经适当加热后,得到 \(0.01432\ \mathrm{g}\) 无水产物。
问题:
2.1 计算待测水样中 \(\ce{Fe^{2+}}\) 与 \(\ce{Ca^{2+}}\) 的物质的量之比。
2.2 在另一实验中,再次使用 \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) 该水样。首先除去由阳离子 \(\ce{Ca^{2+}}\) 引起的暂时硬度,再加入 \(\ce{Na3PO4}\) 除去由阳离子 \(\ce{Fe^{2+}}\) 引起的永久硬度。假设在所分析的 \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) 水样中,只有一半的阳离子 \(\ce{Fe^{2+}}\) 被氧化为 \(\ce{Fe^{3+}}\),计算沉淀的质量(以无水形式计)。计算结果应精确到小数点后两位。用整数比表示物质的量之比。
1° 硬度 = \(10\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) 存在于 \(1\ \mathrm{dm^3}\) 水中时对应的硬度。
相对原子质量:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
题目译自官方英文原文。
答案
-
2.1: 题目预期的物质的量整数比近似为 \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] 按题目印出的数值数据计算,得到 \(1.01150:1\)。
-
2.2: 两个除硬阶段所得无水沉淀的总质量为 \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] 仅铁的磷酸盐沉淀的质量为 \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\)。这些结果保留了实测铁含量和总硬度。
解答
2.1 — 铁与钙的物质的量之比的测定
过氧化氢将二价铁氧化为三价铁。以酸性条件下的形式写出的配平氧化反应方程式为
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
随后加入氨水,生成棕色含水氢氧化铁沉淀,通常表示为 \(\ce{Fe(OH)3}\):
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
在题目所设定的重量分析过程中,钙留在溶液中。加热铁的沉淀,使其失水,得到无水氧化铁:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
因此,称量的产物为 \(\ce{Fe2O3}\),其摩尔质量为
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,所分取的 \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) 水样中原有铁的物质的量为
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
总硬度为
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
相当于每立方分米水中含有 \(200\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\)。因此,所分取水样中相当的 \(\ce{CaO}\) 质量为
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
两种引起硬度的阳离子均为二价,因此任一种阳离子每摩尔所产生的硬度都与一摩尔 \(\ce{CaO}\) 相同。由于
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
可得
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
因此
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
且
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
因此,题目预期的简单整数比近似为
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
下文采用未经舍入的物质的量,而不强行采用精确的 \(1:1\) 比值。
2.2 — 无水沉淀的质量
本实验所用水样体积为上述分取水样体积的 \(100\) 倍。因此,
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
通过加热使碳酸钙沉淀,除去钙引起的暂时硬度:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
其摩尔质量和沉淀质量分别为
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
一半的铁仍为二价铁,另一半被氧化为三价铁:
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
加入磷酸三钠可提供磷酸根离子。两个沉淀反应为
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
产物分别为磷酸亚铁和磷酸铁。它们的物质的量为
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
按无水化学式计算摩尔质量,
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
因此,仅磷酸盐沉淀的质量为
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
计入第一阶段析出的碳酸钙沉淀,得到
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
所用化学物种的名称和 SMILES
对于离子固体,下列以点分隔的 SMILES 表示形式上的化学式单元。它们不描述晶格、水合情况或金属的配位几何构型;含水氢氧化铁并不是独立的分子物种。
| 物种及名称 | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\),亚铁离子 | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\),铁离子 | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\),钙离子 | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\),氢离子 | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\),过氧化氢 | OO |
| \(\ce{H2O}\),水 | O |
| \(\ce{NH3}\),氨 | N |
| \(\ce{NH4+}\),铵离子 | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\),氢氧化铁 | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\),氧化铁 | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\),氧化钙 | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\),碳酸氢根离子 | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\),二氧化碳 | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\),碳酸钙 | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\),磷酸三钠 | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\),磷酸根离子 | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\),磷酸亚铁 | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\),磷酸铁 | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
解答已与官方解答核对。
IChO 1978 · Теоретическая задача 2
Жёсткость воды, обусловленная Fe2+ и Ca2+
Образец исследуемой воды имел временную жёсткость 10° и постоянную жёсткость 10°. Жёсткость воды была обусловлена только катионами \(\ce{Fe^{2+}}\) и \(\ce{Ca^{2+}}\).
В распоряжении имелось \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) воды. Из этого объёма для дальнейших операций отобрали \(100.00\ \mathrm{cm^3}\). Воду обработали раствором \(\ce{H2O2}\) для окисления, а затем провели осаждение водным раствором аммиака. Бурый осадок высушили и после соответствующего нагревания получили \(0.01432\ \mathrm{g}\) безводного продукта.
Задания:
2.1 Рассчитайте молярное соотношение \(\ce{Fe^{2+}}\) : \(\ce{Ca^{2+}}\) в исследуемой воде.
2.2 В другом опыте вновь использовали \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) воды. Сначала устранили временную жёсткость, обусловленную катионами \(\ce{Ca^{2+}}\), а постоянную жёсткость, обусловленную катионами \(\ce{Fe^{2+}}\), устранили добавлением \(\ce{Na3PO4}\). Рассчитайте массу осадка (в безводной форме), предполагая, что в \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) анализируемой воды лишь половина катионов \(\ce{Fe^{2+}}\) окислилась до \(\ce{Fe^{3+}}\). Расчёт следует выполнить с точностью до одной сотой. Выразите молярное соотношение целыми числами.
1° жёсткости = \(10\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) в \(1\ \mathrm{dm^3}\) воды.
Относительные атомные массы:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
2.1: Предполагаемое молярное соотношение в целых числах приближённо равно \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] Напечатанные числовые данные дают \(1.01150:1\).
-
2.2: Суммарная масса безводных осадков, полученных на обеих стадиях устранения жёсткости, составляет \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] Масса только осадка фосфатов железа составляет \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\). В этих результатах сохранены измеренное содержание железа и общая жёсткость.
Решение
2.1 — Определение соотношения железа и кальция
Пероксид водорода окисляет железо(II) до железа(III). Уравнение окисления с расставленными коэффициентами, записанное для кислой среды, имеет вид
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
Затем водный раствор аммиака осаждает бурый гидратированный гидроксид железа(III), который условно записывают как \(\ce{Fe(OH)3}\):
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
В предполагаемой гравиметрической методике кальций остаётся в растворе. При нагревании осадка железа удаляется вода и образуется безводный оксид железа(III):
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
Таким образом, взвешенный продукт — это \(\ce{Fe2O3}\), молярная масса которого равна
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Следовательно, количество вещества железа, первоначально содержавшегося в аликвоте объёмом \(100.00\ \mathrm{cm^3}\), равно
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Общая жёсткость составляет
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
что эквивалентно \(200\ \mathrm{mg}\) \(\ce{CaO}\) на кубический дециметр. Следовательно, эквивалентное содержание в аликвоте составляет
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
Оба катиона, обусловливающих жёсткость, двухвалентны, поэтому один моль любого из них создаёт такую же жёсткость, как один моль \(\ce{CaO}\). Поскольку
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
получаем
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Отсюда
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
и
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
Следовательно, предполагаемое простое целочисленное соотношение приближённо равно
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
Далее используются неокруглённые количества вещества, а не принудительно заданное точное соотношение \(1:1\).
2.2 — Масса безводных осадков
Объём воды в этом опыте в \(100\) раз больше объёма аликвоты. Поэтому
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
Временную кальциевую жёсткость устраняют нагреванием, при котором осаждается карбонат кальция:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
Его молярная масса и масса выпавшего осадка равны
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
Половина железа остаётся в форме железа(II), а половина окисляется до железа(III):
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
При добавлении фосфата тринатрия в раствор поступают фосфат-ионы. Две реакции осаждения имеют вид
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
Продуктами являются соответственно фосфат железа(II) и фосфат железа(III). Их количества вещества равны
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
Используем молярные массы безводных соединений:
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Таким образом,
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
Следовательно, масса только осадка фосфатов составляет
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
С учётом карбоната кальция, осаждённого на первой стадии, получаем
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
Названия и SMILES использованных химических частиц и веществ
Для ионных твёрдых веществ приведённые ниже несвязные записи SMILES представляют формальные формульные единицы. Они не описывают кристаллическую решётку, гидратацию или геометрию координационного окружения металла; гидратированный гидроксид железа(III) не является отдельной молекулярной частицей.
| Частица или вещество и название | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\), ион железа(II) | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\), ион железа(III) | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\), ион кальция | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\), ион водорода | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\), пероксид водорода | OO |
| \(\ce{H2O}\), вода | O |
| \(\ce{NH3}\), аммиак | N |
| \(\ce{NH4+}\), ион аммония | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\), гидроксид железа(III) | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\), оксид железа(III) | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\), оксид кальция | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\), гидрокарбонат-ион | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\), диоксид углерода | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\), карбонат кальция | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\), фосфат тринатрия | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\), фосфат-ион | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\), фосфат железа(II) | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\), фосфат железа(III) | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1978 · مسألة نظرية 2
عسر الماء الناجم عن Fe2+ وCa2+
كانت عينة الماء قيد الدراسة ذات عسر مؤقت مقداره 10° وعسر دائم مقداره 10°. وكان عسر الماء ناجمًا عن كاتيونات \(\ce{Fe^{2+}}\) و\(\ce{Ca^{2+}}\) فقط.
كان متاحًا حجم قدره \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) من الماء. وأُخذ من هذا الحجم \(100.00\ \mathrm{cm^3}\) لاستكمال الإجراء. أُكسد الماء بمحلول \(\ce{H2O2}\)، ثم أُجري الترسيب باستخدام محلول مائي للأمونيا. جُفّف الراسب البني، وبعد تسخينه تسخينًا مناسبًا، حُصل على \(0.01432\ \mathrm{g}\) من ناتج لامائي.
المطلوب:
2.1 احسب النسبة المولية بين \(\ce{Fe^{2+}}\) و\(\ce{Ca^{2+}}\) في الماء قيد الدراسة.
2.2 في تجربة أخرى، استُخدم مجددًا \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) من الماء. أُزيل أولًا العسر المؤقت الناجم عن كاتيونات \(\ce{Ca^{2+}}\)، وأُزيل العسر الدائم الناجم عن كاتيونات \(\ce{Fe^{2+}}\) بإضافة \(\ce{Na3PO4}\). احسب كتلة الراسب (في صورته اللامائية) بافتراض أن نصف كاتيونات \(\ce{Fe^{2+}}\) فقط قد تأكسد إلى \(\ce{Fe^{3+}}\) في \(10.00\ \mathrm{dm^3}\) من الماء المُحلَّل. ينبغي إجراء الحساب بدقة جزء من مئة. عبّر عن النسبة المولية بأعداد صحيحة.
1° من العسر = \(10\ \mathrm{mg}\) من \(\ce{CaO}\) في \(1\ \mathrm{dm^3}\) من الماء.
الكتل الذرية النسبية:
\[ A_r(\ce{Ca})=40.08;\qquad A_r(\ce{Fe})=55.85;\qquad A_r(\ce{C})=12.01; \] \[ A_r(\ce{H})=1.01;\qquad A_r(\ce{P})=31.00;\qquad A_r(\ce{O})=16.00. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
2.1: النسبة المولية المقصودة بأعداد صحيحة هي تقريبًا \[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \] وتعطي المعطيات العددية المطبوعة \(1.01150:1\).
-
2.2: تبلغ الكتلة الإجمالية للرواسب اللامائية الناتجة من مرحلتي الإزالة \[ \boxed{4.20\ \mathrm{g}}. \] وتبلغ كتلة راسب فوسفات الحديد وحده \(\boxed{2.42\ \mathrm{g}}\). تحافظ هذه النتائج على محتوى الحديد المقاس والعسر الكلي.
الحل
2.1 — تحديد نسبة الحديد إلى الكالسيوم
يؤكسد بيروكسيد الهيدروجين الحديد(II) إلى الحديد(III). ومعادلة الأكسدة الموزونة، المكتوبة بصيغة الوسط الحمضي، هي
\[ \ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}. \]
ثم يُرسِّب محلول الأمونيا المائي هيدروكسيد الحديد(III) المميّه البني، الذي يُمثَّل اصطلاحًا بالصيغة \(\ce{Fe(OH)3}\):
\[ \ce{Fe^{3+} + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3(s) + 3NH4+}. \]
في إجراء التحليل الوزني المقصود، يبقى الكالسيوم في المحلول. ويؤدي تسخين راسب الحديد إلى إزالة الماء وتكوين أكسيد الحديد(III) اللامائي:
\[ \ce{2Fe(OH)3(s) ->[\Delta] Fe2O3(s) + 3H2O(g)}. \]
إذن، الناتج الموزون هو \(\ce{Fe2O3}\)، وكتلته المولية
\[ M(\ce{Fe2O3})=2(55.85)+3(16.00)=159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
وعليه، فإن كمية مادة الحديد الموجودة أصلًا في الجزء المأخوذ من العينة، وحجمه \(100.00\ \mathrm{cm^3}\)، هي
\[ n_{\mathrm{Fe}} =2n(\ce{Fe2O3}) =\frac{2(0.01432\ \mathrm{g})}{159.70\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.7933626\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
العسر الكلي هو
\[ 10^\circ+10^\circ=20^\circ, \]
وهو يكافئ \(200\ \mathrm{mg}\) من \(\ce{CaO}\) لكل ديسيمتر مكعب. وبناءً على ذلك، يحتوي الجزء المأخوذ من العينة على
\[ m_{\ce{CaO},\mathrm{equiv}} =(0.200\ \mathrm{g\,dm^{-3}})(0.10000\ \mathrm{dm^3}) =0.02000\ \mathrm{g}. \]
كلا الكاتيونين المسبِّبين للعسر ثنائي التكافؤ، ولذلك يسهم مول واحد من أيٍّ منهما بعسر يساوي ما يسهم به مول واحد من \(\ce{CaO}\). وبما أن
\[ M(\ce{CaO})=40.08+16.00=56.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
فإننا نحصل على
\[ n_{\mathrm{Fe}}+n_{\mathrm{Ca}} =\frac{0.02000}{56.08} =3.5663338\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
ومن ثم
\[ n_{\mathrm{Ca}} =(3.5663338-1.7933626)\times10^{-4} =1.7729713\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
و
\[ \frac{n_{\mathrm{Fe}}}{n_{\mathrm{Ca}}} =\frac{1.7933626}{1.7729713} =1.01150. \]
إذن، النسبة البسيطة المقصودة بأعداد صحيحة هي تقريبًا
\[ \boxed{\ce{Fe^{2+}}:\ce{Ca^{2+}}=1:1}. \]
تُستخدم فيما يلي كميات المادة غير المقرَّبة، بدلًا من فرض نسبة دقيقة مقدارها \(1:1\).
2.2 — كتلة الرواسب اللامائية
الحجم في هذه التجربة يساوي \(100\) ضعف حجم الجزء المأخوذ من العينة. ولذلك،
\[ n_{\mathrm{Fe,total}}=0.017933626\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Ca}}=0.017729713\ \mathrm{mol}. \]
يُزال عسر الكالسيوم المؤقت بالتسخين، الذي يُرسِّب كربونات الكالسيوم:
\[ \ce{Ca^{2+} + 2HCO3- ->[\Delta] CaCO3(s) + CO2(g) + H2O}. \]
وكتلتها المولية وكتلتها المترسِّبة هما
\[ M(\ce{CaCO3})=40.08+12.01+3(16.00) =100.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ m(\ce{CaCO3}) =(0.017729713)(100.09) =1.774567\ \mathrm{g}. \]
يبقى نصف الحديد في صورة الحديد(II)، ويتأكسد النصف الآخر إلى الحديد(III):
\[ n(\ce{Fe^{2+}})=n(\ce{Fe^{3+}}) =\frac{0.017933626}{2} =0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
توفّر إضافة فوسفات ثلاثي الصوديوم أيونات الفوسفات. وتفاعلا الترسيب هما
\[ \ce{3Fe^{2+} + 2PO4^{3-} -> Fe3(PO4)2(s)}, \]
\[ \ce{Fe^{3+} + PO4^{3-} -> FePO4(s)}. \]
الناتجان هما فوسفات الحديد(II) وفوسفات الحديد(III)، على الترتيب. وكميتا مادتهما هما
\[ n(\ce{Fe3(PO4)2}) =\frac{0.008966813}{3} =0.002988938\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{FePO4})=0.008966813\ \mathrm{mol}. \]
باستخدام الكتل المولية للصيغ اللامائية،
\[ M(\ce{Fe3(PO4)2}) =3(55.85)+2[31.00+4(16.00)] =357.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
\[ M(\ce{FePO4}) =55.85+31.00+4(16.00) =150.85\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
إذن،
\[ m(\ce{Fe3(PO4)2}) =(0.002988938)(357.55) =1.068695\ \mathrm{g}, \]
\[ m(\ce{FePO4}) =(0.008966813)(150.85) =1.352644\ \mathrm{g}. \]
وعليه، تبلغ كتلة راسب الفوسفات وحده
\[ \boxed{ m_{\mathrm{phosphates}} =1.068695+1.352644 =2.421338\ \mathrm{g} \approx2.42\ \mathrm{g} }. \]
وبإدراج كربونات الكالسيوم التي ترسَّبت في المرحلة الأولى، نحصل على
\[ \boxed{ m_{\mathrm{all\ precipitates}} =1.774567+2.421338 =4.195905\ \mathrm{g} \approx4.20\ \mathrm{g} }. \]
أسماء الأنواع الكيميائية المستخدمة وتمثيلاتها بصيغة SMILES
بالنسبة إلى المواد الصلبة الأيونية، تمثّل صيغ SMILES المنفصلة أدناه وحدات صيغية شكلية. وهي لا تصف الشبكة البلورية أو الإماهة أو هندسة التناسق حول الفلز؛ وهيدروكسيد الحديد(III) المميّه ليس نوعًا جزيئيًا منفصلًا.
| النوع الكيميائي واسمه | SMILES |
|---|---|
| \(\ce{Fe^{2+}}\)، أيون الحديد(II) | [Fe+2] |
| \(\ce{Fe^{3+}}\)، أيون الحديد(III) | [Fe+3] |
| \(\ce{Ca^{2+}}\)، أيون الكالسيوم | [Ca+2] |
| \(\ce{H+}\)، أيون الهيدروجين | [H+] |
| \(\ce{H2O2}\)، بيروكسيد الهيدروجين | OO |
| \(\ce{H2O}\)، الماء | O |
| \(\ce{NH3}\)، الأمونيا | N |
| \(\ce{NH4+}\)، أيون الأمونيوم | [NH4+] |
| \(\ce{Fe(OH)3}\)، هيدروكسيد الحديد(III) | [Fe+3].[OH-].[OH-].[OH-] |
| \(\ce{Fe2O3}\)، أكسيد الحديد(III) | [Fe+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{CaO}\)، أكسيد الكالسيوم | [Ca+2].[O-2] |
| \(\ce{HCO3-}\)، أيون هيدروجين الكربونات | OC(=O)[O-] |
| \(\ce{CO2}\)، ثاني أكسيد الكربون | O=C=O |
| \(\ce{CaCO3}\)، كربونات الكالسيوم | [Ca+2].[O-]C(=O)[O-] |
| \(\ce{Na3PO4}\)، فوسفات ثلاثي الصوديوم | [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{PO4^{3-}}\)، أيون الفوسفات | [O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{Fe3(PO4)2}\)، فوسفات الحديد(II) | [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[O-]P(=O)([O-])[O-].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
| \(\ce{FePO4}\)، فوسفات الحديد(III) | [Fe+3].[O-]P(=O)([O-])[O-] |
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.