Номер 228, страница 216 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.228. Аммиак объёмом 8,96 л (н. у.) подвергли каталитическому окислению избытком кислорода. Полученную газовую смесь пропустили через 1 л воды, причём газ, выходящий из воды, имел плотность по водороду 16. Найдите массовую долю кислоты в полученном растворе.

Дано:

$V(\text{NH}_3) = 8,96$ л (н. у.)
$V(\text{H}_2\text{O}) = 1$ л
$D_{\text{H}_2}(\text{газа}) = 16$
Кислород в избытке

Принимая плотность воды $\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1000$ г/л, масса воды составляет:
$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \cdot \rho(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ л} \cdot 1000 \text{ г/л} = 1000$ г.
Молярный объем газа при нормальных условиях $V_m = 22,4$ л/моль.

Найти:

$\omega(\text{кислоты})$ — ?

Решение:

1. Составим уравнения химических реакций, происходящих в процессе.

Сначала происходит каталитическое окисление аммиака кислородом до оксида азота(II):

$4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{катализатор, t}} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$ (1)

Затем оксид азота(II) окисляется избытком кислорода до оксида азота(IV):

$2\text{NO} + \text{O}_2 \to 2\text{NO}_2$ (2)

Полученную газовую смесь, содержащую оксид азота(IV) и избыточный кислород, пропускают через воду, где они реагируют с образованием азотной кислоты:

$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \to 4\text{HNO}_3$ (3)

2. Определим состав газа, который не поглотился водой. Его плотность по водороду $D_{\text{H}_2}$ равна 16. Вычислим молярную массу этого газа ($M_{\text{газа}}$):

$M_{\text{газа}} = D_{\text{H}_2} \cdot M(\text{H}_2) = 16 \cdot 2 \text{ г/моль} = 32 \text{ г/моль}$

Молярная масса 32 г/моль соответствует кислороду ($\text{O}_2$). Это означает, что после пропускания через воду из газовой смеси остался только избыточный кислород. Следовательно, все соединения азота ($\text{NO}_2$) полностью прореагировали, и весь азот из исходного аммиака перешел в состав азотной кислоты.

3. Найдем количество вещества исходного аммиака, используя его объем при нормальных условиях:

$n(\text{NH}_3) = \frac{V(\text{NH}_3)}{V_m} = \frac{8,96 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,4 \text{ моль}$

4. Определим количество вещества образовавшейся азотной кислоты. Проследим стехиометрическую цепочку превращений: $\text{NH}_3 \to \text{NO} \to \text{NO}_2 \to \text{HNO}_3$.

Из уравнений (1), (2) и (3) видно, что соотношение молей $n(\text{NH}_3) : n(\text{NO}) : n(\text{NO}_2) : n(\text{HNO}_3) = 4:4:4:4$, то есть $1:1:1:1$.

Значит, количество вещества образовавшейся кислоты равно количеству вещества исходного аммиака:

$n(\text{HNO}_3) = n(\text{NH}_3) = 0,4 \text{ моль}$

5. Вычислим массу полученной азотной кислоты:

$M(\text{HNO}_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль}$

$m(\text{HNO}_3) = n(\text{HNO}_3) \cdot M(\text{HNO}_3) = 0,4 \text{ моль} \cdot 63 \text{ г/моль} = 25,2 \text{ г}$

6. Рассчитаем массу конечного раствора. Масса раствора равна сумме массы исходной воды и масс поглощенных газов, которые образовали кислоту.

В реакции (3) для образования кислоты были поглощены $\text{NO}_2$ и $\text{O}_2$.

Количество вещества поглощенного $\text{NO}_2$: $n(\text{NO}_2) = n(\text{NH}_3) = 0,4 \text{ моль}$.

Масса поглощенного $\text{NO}_2$:

$M(\text{NO}_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$

$m(\text{NO}_2) = n(\text{NO}_2) \cdot M(\text{NO}_2) = 0,4 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} = 18,4 \text{ г}$

Согласно уравнению (3), количество вещества кислорода, поглощенного вместе с $\text{NO}_2$:

$n(\text{O}_2)_{\text{погл.}} = \frac{1}{4} n(\text{NO}_2) = \frac{1}{4} \cdot 0,4 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

Масса поглощенного кислорода:

$m(\text{O}_2)_{\text{погл.}} = n(\text{O}_2)_{\text{погл.}} \cdot M(\text{O}_2) = 0,1 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 3,2 \text{ г}$

Общая масса конечного раствора:

$m(\text{раствора}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{NO}_2) + m(\text{O}_2)_{\text{погл.}} = 1000 \text{ г} + 18,4 \text{ г} + 3,2 \text{ г} = 1021,6 \text{ г}$

7. Найдем массовую долю азотной кислоты в полученном растворе:

$\omega(\text{HNO}_3) = \frac{m(\text{HNO}_3)}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{25,2 \text{ г}}{1021,6 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 2,467\%$

Округляя результат до трех значащих цифр, получаем 2,47%.

Ответ: массовая доля кислоты в полученном растворе составляет 2,47%.