Номер 161, страница 208 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.161. В состав олеума входят различные полисерные кислоты ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_7$ (пиросерная кислота), ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{S}}_3{\mathrm{O}}_{10}$ и т. д. Выскажите предположения, какие вещества присутствуют в 30%-м олеуме, который формально является 30%-м раствором серного ангидрида в 100%-й серной кислоте.

Олеум представляет собой раствор серного ангидрида ($SO_3$) в 100%-й серной кислоте ($H_2SO_4$). При растворении $SO_3$ в $H_2SO_4$ происходит их взаимодействие с образованием полисерных кислот, в первую очередь пиросерной кислоты $H_2S_2O_7$. Формальное определение 30%-го олеума означает, что в 100 г раствора содержится 30 г свободного серного ангидрида и 70 г серной кислоты. Чтобы определить, какие вещества реально присутствуют в такой смеси, необходимо проанализировать мольное соотношение компонентов.

Массовая доля $SO_3$ в олеуме, $\omega(SO_3) = 30\%$

Вещества, присутствующие в 30%-м олеуме.

Рассмотрим 100 г 30%-го олеума. Согласно определению, в этой массе содержится:

• масса серного ангидрида $m(SO_3) = 100 \text{ г} \cdot 0.30 = 30 \text{ г}$
• масса серной кислоты $m(H_2SO_4) = 100 \text{ г} - 30 \text{ г} = 70 \text{ г}$

Рассчитаем молярные массы веществ, используя точные атомные массы: $A_r(H) = 1.008$, $A_r(S) = 32.06$, $A_r(O) = 16.00$.

• $M(SO_3) = 32.06 + 3 \cdot 16.00 = 80.06 \text{ г/моль}$
• $M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1.008 + 32.06 + 4 \cdot 16.00 = 98.076 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества (в молях) для каждого компонента в 100 г олеума:

• $\nu(SO_3) = \frac{m(SO_3)}{M(SO_3)} = \frac{30 \text{ г}}{80.06 \text{ г/моль}} \approx 0.375 \text{ моль}$
• $\nu(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{70 \text{ г}}{98.076 \text{ г/моль}} \approx 0.714 \text{ моль}$

При смешивании серной кислоты и серного ангидрида происходит реакция с образованием пиросерной кислоты:

$H_2SO_4 + SO_3 \rightleftharpoons H_2S_2O_7$

Согласно уравнению реакции, реагенты взаимодействуют в мольном соотношении 1:1. Сравним их количества:

$\nu(H_2SO_4) \approx 0.714 \text{ моль}$

$\nu(SO_3) \approx 0.375 \text{ моль}$

Поскольку количество молей серной кислоты больше, чем количество молей серного ангидрида ($\nu(H_2SO_4) > \nu(SO_3)$), $SO_3$ является лимитирующим реагентом, а $H_2SO_4$ находится в избытке. Это означает, что практически весь серный ангидрид прореагирует, и в равновесной смеси будет присутствовать непрореагировавшая серная кислота.

В результате реакции образуется $\approx 0.375$ моль пиросерной кислоты ($H_2S_2O_7$).

Количество серной кислоты, оставшейся в избытке, составляет:

$\nu(H_2SO_4)_{\text{ост.}} = 0.714 \text{ моль} - 0.375 \text{ моль} = 0.339 \text{ моль}$

Образование более сложных полисерных кислот, например, трисерной кислоты ($H_2S_3O_{10}$), описывается уравнением:

$H_2S_2O_7 + SO_3 \rightleftharpoons H_2S_3O_{10}$

Для протекания этой реакции необходим свободный $SO_3$. Так как в рассматриваемой системе $SO_3$ является лимитирующим реагентом и практически полностью вступает в реакцию с избытком $H_2SO_4$, концентрация свободного $SO_3$ в равновесной смеси будет крайне низкой. Следовательно, и концентрация $H_2S_3O_{10}$ и других высших полисерных кислот будет пренебрежимо малой.

Таким образом, основными компонентами, присутствующими в 30%-м олеуме, являются продукт реакции — пиросерная кислота ($H_2S_2O_7$), и избыточный реагент — серная кислота ($H_2SO_4$).

Ответ: В 30%-м олеуме в значительных количествах присутствуют серная кислота ($H_2SO_4$) и пиросерная кислота ($H_2S_2O_7$). Высшие полисерные кислоты, такие как $H_2S_3O_{10}$, и свободный серный ангидрид ($SO_3$) также присутствуют, но в очень малых (следовых) количествах, так как равновесие смещено в сторону $H_2S_2O_7$ из-за избытка $H_2SO_4$.