Номер 266, страница 67 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.266. Рассчитайте объём 70%-й азотной кислоты (плотность 1,40 г/мл), который потребуется для получения 80 г нитробензола, если выход в реакции нитрования (в пересчёте на азотную кислоту) составляет 85%.

Дано:

$w(HNO_3) = 70\% = 0.70$

$\rho_{р-ра}(HNO_3) = 1.40 \text{ г/мл}$

$m_{практ}(C_6H_5NO_2) = 80 \text{ г}$

$\eta = 85\% = 0.85$

$m_{практ}(C_6H_5NO_2) = 80 \text{ г} = 0.080 \text{ кг}$

$\rho_{р-ра}(HNO_3) = 1.40 \text{ г/мл} = 1400 \text{ кг/м}^3$

Найти:

$V_{р-ра}(HNO_3)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нитрования бензола азотной кислотой с образованием нитробензола и воды. Катализатором реакции обычно служит концентрированная серная кислота:

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы азотной кислоты ($HNO_3$) и нитробензола ($C_6H_5NO_2$):

$M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \times 16 = 63 \text{ г/моль}$

$M(C_6H_5NO_2) = 6 \times 12 + 5 \times 1 + 14 + 2 \times 16 = 123 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (моль) практически полученного нитробензола:

$n_{практ}(C_6H_5NO_2) = \frac{m_{практ}(C_6H_5NO_2)}{M(C_6H_5NO_2)} = \frac{80 \text{ г}}{123 \text{ г/моль}} \approx 0.6504 \text{ моль}$

4. Выход реакции составляет 85%. Это означает, что для получения 0.6504 моль продукта необходимо было взять большее количество реагента. Из стехиометрии реакции следует, что на 1 моль нитробензола расходуется 1 моль азотной кислоты. Найдем количество вещества азотной кислоты, которое необходимо взять для проведения реакции с учетом выхода:

$n_{требуемое}(HNO_3) = \frac{n_{практ}(C_6H_5NO_2)}{\eta} = \frac{0.6504 \text{ моль}}{0.85} \approx 0.7652 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу чистой (100%) азотной кислоты, соответствующую этому количеству вещества:

$m(HNO_3) = n_{требуемое}(HNO_3) \times M(HNO_3) = 0.7652 \text{ моль} \times 63 \text{ г/моль} \approx 48.21 \text{ г}$

6. Теперь найдем массу 70%-го раствора азотной кислоты, который содержит 48.21 г чистого $HNO_3$:

$m_{р-ра}(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{w(HNO_3)} = \frac{48.21 \text{ г}}{0.70} \approx 68.87 \text{ г}$

7. Зная массу и плотность раствора, найдем его объем:

$V_{р-ра}(HNO_3) = \frac{m_{р-ра}(HNO_3)}{\rho_{р-ра}(HNO_3)} = \frac{68.87 \text{ г}}{1.40 \text{ г/мл}} \approx 49.19 \text{ мл}$

Округлив результат до трех значащих цифр (по наименее точному значению с тремя знаками - плотности), получаем 49.2 мл.

Ответ: $49.2 \text{ мл}$.