9.甲瓶装纯盐酸20千克,乙瓶装水60千克,分别从两瓶中各取出等量溶液x千克倒入对方瓶中,然后再从两瓶中各取出x千克倒入对方瓶中,则甲乙两瓶浓度相等。(1)x=15(2)x=12A.条件(1)充分,但条件(2)不充分B.条件(2)充分,但条件(1)不充分C.条件(1)、(2)单独都不充分,但联合起来充分D.条件(1)充分,条件(2)也充分E.条件(1)、(2)单独都不充分,联合起来也不充分
题目解答
答案
为了解决这个问题,我们需要分析每次从两瓶中倒出溶液后甲瓶和乙瓶的浓度变化。让我们一步步来分析。
初始条件
- 甲瓶:20千克纯盐酸
- 乙瓶:60千克水
第一次倒出
从两瓶中各取出 $x$ 千克溶液倒入对方瓶中。
-
甲瓶:
- 倒出 $x$ 千克纯盐酸,剩下 $20 - x$ 千克纯盐酸。
- 倒入 $x$ 千克水,总质量变为 $20$ 千克,其中盐酸质量为 $20 - x$ 千克。
- 甲瓶的浓度为 $\frac{20 - x}{20}$。
-
乙瓶:
- 倒出 $x$ 千克水,剩下 $60 - x$ 千克水。
- 倒入 $x$ 千克纯盐酸,总质量变为 $60$ 千克,其中盐酸质量为 $x$ 千克。
- 乙瓶的浓度为 $\frac{x}{60}$。
第二次倒出
从两瓶中各取出 $x$ 千克溶液倒入对方瓶中。
-
甲瓶:
- 倒出 $x$ 千克溶液,其中盐酸质量为 $x \cdot \frac{20 - x}{20} = \frac{x(20 - x)}{20}$ 千克,剩下盐酸质量为 $(20 - x) - \frac{x(20 - x)}{20} = \frac{(20 - x)^2}{20}$ 千克。
- 倒入 $x$ 千克溶液,其中盐酸质量为 $x \cdot \frac{x}{60} = \frac{x^2}{60}$ 千克,总盐酸质量变为 $\frac{(20 - x)^2}{20} + \frac{x^2}{60}$ 千克。
- 甲瓶的浓度为 $\frac{\frac{(20 - x)^2}{20} + \frac{x^2}{60}}{20} = \frac{(20 - x)^2}{400} + \frac{x^2}{1200}$。
-
乙瓶:
- 倒出 $x$ 千克溶液,其中盐酸质量为 $x \cdot \frac{x}{60} = \frac{x^2}{60}$ 千克,剩下盐酸质量为 $x - \frac{x^2}{60} = \frac{x(60 - x)}{60}$ 千克。
- 倒入 $x$ 千克溶液,其中盐酸质量为 $x \cdot \frac{20 - x}{20} = \frac{x(20 - x)}{20}$ 千克,总盐酸质量变为 $\frac{x(60 - x)}{60} + \frac{x(20 - x)}{20}$ 千克。
- 乙瓶的浓度为 $\frac{\frac{x(60 - x)}{60} + \frac{x(20 - x)}{20}}{60} = \frac{x(60 - x)}{3600} + \frac{x(20 - x)}{1200}$。
使浓度相等
我们需要使甲瓶和乙瓶的浓度相等:
$\frac{(20 - x)^2}{400} + \frac{x^2}{1200} = \frac{x(60 - x)}{3600} + \frac{x(20 - x)}{1200}$
为了简化,将两边乘以3600:
$9(20 - x)^2 + 3x^2 = x(60 - x) + 3x(20 - x)$
$9(400 - 40x + x^2) + 3x^2 = 60x - x^2 + 60x - 3x^2$
$3600 - 360x + 9x^2 + 3x^2 = 120x - 4x^2$
$3600 - 360x + 12x^2 = 120x - 4x^2$
$16x^2 - 480x + 3600 = 0$
$x^2 - 30x + 225 = 0$
$(x - 15)^2 = 0$
$x = 15$
因此,只有条件(1) $x = 15$ 是充分的,条件(2) $x = 12$ 不充分。
答案是 $\boxed{A}$。
解析
本题考查溶液浓度问题,解题思路是通过逐步分析每次倒出溶液后甲、乙两瓶中盐酸的质量和溶液的总质量,进而得出两瓶的浓度表达式,最后令两瓶浓度相等,求解出$x$的值,再判断条件是否充分。
初始条件
甲瓶有$20$千克纯盐酸,乙瓶有$60$千克水。
第一次倒出
从两瓶中各取出$x$千克溶液倒入对方瓶中。
- 甲瓶:
倒出$x$千克纯盐酸,剩下$20 - x$千克纯盐酸。倒入$x$千克水,总质量变为$20$千克,其中盐酸质量为$20 - x$千克。根据浓度公式$浓度 = \frac{溶质质量}{溶液质量}$,甲瓶的浓度为$\frac{20 - x}{20}$。 - 乙瓶:
倒出$x$千克水,剩下$60 - x$千克水。倒入$x$千克纯盐酸,总质量变为$60$千克,其中盐酸质量为$x$千克。乙瓶的浓度为$\frac{x}{60}$。
第二次倒出
从两瓶中各取出$x$千克溶液倒入对方瓶中。
- 甲瓶:
倒出$x$千克溶液,其中盐酸质量为$x\cdot\frac{20 - x}{20}=\frac{x(20 - x)}{20}$千克,剩下盐酸质量为$(20 - x)-\frac{x(20 - x)}{20}=\frac{(20 - x)^2}{20}$千克。
倒入$x$千克溶液,其中盐酸质量为$x\cdot\frac{x}{60}=\frac{x^2}{60}$千克,总盐酸质量变为$\frac{(20 - x)^2}{20}+\frac{x^2}{60}$千克。
甲瓶的浓度为$\frac{\frac{(20 - x)^2}{20}+\frac{x^2}{60}}{20}=\frac{(20 - x)^2}{400}+\frac{x^2}{1200}$。 - 乙瓶:
倒出$x$千克溶液,其中盐酸质量为$x\cdot\frac{x}{60}=\frac{x^2}{60}$千克,剩下盐酸质量为$x-\frac{x^2}{60}=\frac{x(60 - x)}{60}$千克。
倒入$x$千克溶液,其中盐酸质量为$x\cdot\frac{20 - x}{20}=\frac{x(20 - x)}{20}$千克,总盐酸质量变为$\frac{x(60 - x)}{60}+\frac{x(20 - x)}{20}$千克。
乙瓶的浓度为$\frac{\frac{x(60 - x)}{60}+\frac{x(20 - x)}{20}}{60}=\frac{x(60 - x)}{3600}+\frac{x(20 - x)}{1200}$。
使浓度相等
令甲瓶和乙瓶的浓度相等,即$\frac{(20 - x)^2}{400}+\frac{x^2}{1200}=\frac{x(60 - x)}{3600}+\frac{x(20 - x)}{1200}$。
为了简化方程,将两边同时乘以$3600$:
$\begin{align*}9(20 - x)^2 + 3x^2&=x(60 - x) + 3x(20 - x)\\9(400 - 40x + x^2)+3x^2&=60x - x^2 + 60x - 3x^2\\3600 - 360x + 9x^2 + 3x^2&=120x - 4x^2\\3600 - 360x + 12x^2&=120x - 4x^2\\16x^2 - 480x + 3600&=0\\x^2 - 30x + 225&=0\\(x - 15)^2&=0\end{align*}$
解得$x = 15$。
判断条件充分性
- 条件(1):$x = 15$,与我们计算得出的结果一致,所以条件(1)充分。
- 条件(2):$x = 12$,与计算结果$x = 15$不同,所以条件(2)不充分。