Chemiczny bubel

Przeanalizujmy to zadanie:

Początkowo roztwór zawiera 0,02 mol Fe²⁺ i 0,12 mol Fe³⁺, a dodano 0,25 mola Zn. Z treści wynika, że do roztworu przeszło 0,005 mol kationów Zn²⁺, zatem w stanie równowagi stężenie Zn²⁺ wynosi 0,025 mol/dm³, Fe²⁺ - 0,15 mol/dm³ a Fe³⁺ - 0,55 mol/dm³. Czego tu nie wzięto pod uwagę? Ze mamy jeszcze 0,245 mol Zn... A przecież od uczniów wymaga się, by umiał się posługiwać szeregiem napięciowym metali. Kationy Fe²⁺ ulegną redukcji przez cynk:

Zn + Fe²⁺ → Zn²⁺ + Fe

Mamy więc układ reakcji następczych. Pamiętaj, że obecnie matura wymaga nie tylko obliczeń dla samego liczenia, ale takze wykorzystywania wiedzy chemicznej i kojarzenia faktów. Musisz przecież wiedzieć, co sie stanie, jak do roztworu z kationami Fe²⁺ pwrowadzimy cynk. Ponadto, gdyby zbudować takie standardowe ogniwo, w którym zachodziłaby opisana redukcja Fe³⁺ do Fe²⁺, to jego potencjał standardowy (SEM) wynosiłby 1,533 V. Zgodnie z zależnością (tego już maturzyści nie muszą umieć obliczyć ;) ):

RTlnK_c = nFE

lnK_c = nFE/RT

lnK_c = 2 · 96500 · 1,533/(8,314 · 298,15) = 119,4

Co nas prowadzi do wyniku:

K_c = 6,9 · 10⁵¹

To ogromna liczba. Oznacza to, że reakcja ta jest praktycznie nieodwracalna i wszystkie kationy Fe³⁺ ulegną zredukowaniu do Fe²⁺, bo mamy spory nadmiar cynku. Wg stechiometrii na redukcję wszystkich kationów Fe³⁺ zużyje się 0,06 mola cynku. Po ich wyczerpaniu pozostanie go jeszcze 0,19 mola, a roztwór będzie zawierał 0,14 mol kationów Fe²⁺. A jak kationy Fe²⁺ reagują z cynkiem to już wyjaśniliśmy:

Zn + Fe²⁺ → Zn²⁺ + Fe

Stała równowagi tej reakcji wynosi 4,5·10¹¹, więc możemy także przyjąć, że jest to reakcja nieodwracalna i zachodzi w 100%. Ponieważ cynk nadal jest w nadmiarze do kationów Fe²⁺, to całe żelazo zostanie usunięte z roztworu. Układ poreakcyjny zawiera więc: 0,05 mol nieprzereagowanego nadmiaru cynku, 0,14 mol żelaza i 0,20 mol kationów Zn²⁺ w roztworze, czyli stężenie kationów cynku będzie wynosić. 1 mol/dm³. Otrzymamy po prostu roztwór octanu cynku. 

Zadanie takie, w odpowiednio zmodyfikowanej wersji - może pojawić się na maturze.