Номер 166, страница 210 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.166. Для получения азота учащийся пропустил сухой воздух через трубку с раскалённой медной стружкой. Полученный газ имеет плотность по водороду больше 14. Чем это объясняется?

Дано:

Относительная плотность полученного газа по водороду, $D_{H_2}(\text{газ}) > 14$

Найти:

Объяснение данного факта.

Решение:

Цель эксперимента — получение азота из воздуха. Сухой воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот ($N_2$, около 78%), кислород ($O_2$, около 21%) и благородные газы, в первую очередь аргон ($Ar$, около 0,93%). При пропускании сухого воздуха через трубку с раскаленной медной стружкой происходит химическая реакция меди с кислородом:

$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

В результате этой реакции кислород удаляется из воздушной смеси. Азот и аргон, будучи химически инертными в данных условиях, не реагируют с медью и проходят через трубку без изменений. Таким образом, на выходе из трубки получается не чистый азот, а смесь азота с аргоном и другими инертными газами, содержащимися в воздухе.

Рассчитаем теоретическую относительную плотность по водороду для чистого азота. Относительная плотность газа по водороду ($D_{H_2}$) вычисляется как отношение молярной массы газа к молярной массе водорода:

$D_{H_2}(\text{газ}) = \frac{M(\text{газ})}{M(H_2)}$

Молярная масса азота $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28$ г/моль.

Молярная масса водорода $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2$ г/моль.

Следовательно, для чистого азота:

$D_{H_2}(N_2) = \frac{28}{2} = 14$

В условии задачи сказано, что плотность полученного газа по водороду больше 14. Это означает, что средняя молярная масса полученной газовой смеси больше молярной массы чистого азота:

$M_{\text{ср.}}(\text{газ}) = D_{H_2}(\text{газ}) \cdot M(H_2) > 14 \cdot 2 = 28$ г/моль.

Это увеличение средней молярной массы объясняется присутствием в смеси аргона. Молярная масса аргона $M(Ar) \approx 40$ г/моль, что значительно больше молярной массы азота ($M(N_2) = 28$ г/моль). Так как полученный газ является смесью в основном азота и более тяжелого аргона, его средняя молярная масса оказывается выше, чем у чистого азота.

Например, если принять, что воздух после удаления кислорода состоит примерно из 98.7% $N_2$ и 1.3% $Ar$ (по объему), то средняя молярная масса смеси будет:

$M_{\text{ср.}} = 0.987 \cdot M(N_2) + 0.013 \cdot M(Ar) = 0.987 \cdot 28 + 0.013 \cdot 40 = 27.636 + 0.52 = 28.156$ г/моль.

Тогда относительная плотность по водороду для такой смеси:

$D_{H_2}(\text{смеси}) = \frac{28.156}{2} = 14.078$, что действительно больше 14.

Ответ: Полученный газ является не чистым азотом, а его смесью с аргоном (и другими инертными газами), который также содержится в воздухе и не реагирует с медью. Так как молярная масса аргона ($M(Ar) \approx 40$ г/моль) больше молярной массы азота ($M(N_2) = 28$ г/моль), средняя молярная масса полученной газовой смеси оказывается больше 28 г/моль, а её относительная плотность по водороду — больше 14.