Номер 268, страница 67 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.268. При нитровании толуола получили смесь 20 г орmо-изомера и 60 г napa-изомера. Рассчитайте массу исходного толуола, если общий выход реакции составил 75%.

Дано:

$m(\text{орто-нитротолуол}) = 20 \text{ г}$
$m(\text{пара-нитротолуол}) = 60 \text{ г}$
$\eta = 75\% = 0.75$

Перевод в систему СИ:

$m(\text{орто-нитротолуол}) = 0.02 \text{ кг}$
$m(\text{пара-нитротолуол}) = 0.06 \text{ кг}$
$\eta = 0.75$

Найти:

$m(\text{исходного толуола})$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нитрования толуола. При нитровании толуола образуется смесь орто- и пара-нитротолуола. Так как оба изомера имеют одинаковую молярную массу, для расчетов можно использовать общее уравнение, где $C_7H_7NO_2$ представляет собой нитротолуол:

$C_6H_5CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_4(CH_3)(NO_2) + H_2O$

Или в виде брутто-формул:

$C_7H_8 + HNO_3 \rightarrow C_7H_7NO_2 + H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы толуола ($C_7H_8$) и нитротолуола ($C_7H_7NO_2$), используя относительные атомные массы: $A_r(C)=12$, $A_r(H)=1$, $A_r(N)=14$, $A_r(O)=16$.

$M(C_7H_8) = 7 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 92 \text{ г/моль}$

$M(C_7H_7NO_2) = 7 \cdot 12 + 7 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 84 + 7 + 14 + 32 = 137 \text{ г/моль}$

3. Найдем общую массу полученных продуктов (практическую массу). Это сумма масс орто- и пара-изомеров:

$m_{практ}(C_7H_7NO_2) = m(\text{орто-изомер}) + m(\text{пара-изомер}) = 20 \text{ г} + 60 \text{ г} = 80 \text{ г}$

4. Вычислим теоретически возможную массу продуктов ($m_{теор}$), которая получилась бы при 100% выходе реакции. Выход реакции ($\eta$) связан с практической и теоретической массами следующим соотношением:

$\eta = \frac{m_{практ}}{m_{теор}}$

Отсюда теоретическая масса продуктов:

$m_{теор}(C_7H_7NO_2) = \frac{m_{практ}(C_7H_7NO_2)}{\eta} = \frac{80 \text{ г}}{0.75} \approx 106.67 \text{ г}$

5. На основе теоретической массы продуктов рассчитаем количество вещества (в молях) нитротолуола, которое должно было образоваться:

$\nu_{теор}(C_7H_7NO_2) = \frac{m_{теор}(C_7H_7NO_2)}{M(C_7H_7NO_2)} = \frac{106.67 \text{ г}}{137 \text{ г/моль}} \approx 0.7786 \text{ моль}$

6. Согласно уравнению реакции, из 1 моль толуола образуется 1 моль нитротолуола. Следовательно, количество вещества исходного толуола равно теоретическому количеству вещества нитротолуола:

$\nu(C_7H_8) = \nu_{теор}(C_7H_7NO_2) \approx 0.7786 \text{ моль}$

7. Рассчитаем массу исходного толуола:

$m(C_7H_8) = \nu(C_7H_8) \cdot M(C_7H_8) = 0.7786 \text{ моль} \cdot 92 \text{ г/моль} \approx 71.63 \text{ г}$

Ответ: масса исходного толуола составляет 71,63 г.