Номер 243, страница 218 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.243. Фосфор массой 18,6 г сожгли в 67,2 л (н. у.) кислорода. Образовавшееся при этом вещество растворили в 100 г воды и полученный раствор прокипятили. Определите массовую долю кислоты в полученном растворе.

Дано:

$m(P) = 18,6 \text{ г}$

$V(O_2) = 67,2 \text{ л}$ (н. у.)

$m(H_2O) = 100 \text{ г}$

Найти:

$\omega(H_3PO_4) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции горения фосфора в кислороде. При этом образуется высший оксид фосфора — оксид фосфора(V):

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) исходных реагентов, чтобы определить, какое из них находится в недостатке.

Молярная масса фосфора $M(P) = 31 \text{ г/моль}$.

Количество вещества фосфора:

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{18,6 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа составляет $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

Количество вещества кислорода:

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{67,2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 3 \text{ моль}$

3. Определим лимитирующий реагент. Согласно уравнению реакции, на $4 \text{ моль}$ фосфора требуется $5 \text{ моль}$ кислорода. Рассчитаем, сколько моль кислорода необходимо для реакции с $0,6 \text{ моль}$ фосфора:

$n_{теор}(O_2) = \frac{5}{4} \cdot n(P) = \frac{5}{4} \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,75 \text{ моль}$

Так как в наличии имеется $3 \text{ моль}$ кислорода, что больше, чем требуется ($3 \text{ моль} > 0,75 \text{ моль}$), кислород находится в избытке. Расчеты будем проводить по недостатку, то есть по фосфору.

4. Рассчитаем количество вещества и массу образовавшегося оксида фосфора(V) ($P_2O_5$).

По уравнению реакции из $4 \text{ моль}$ P образуется $2 \text{ моль}$ $P_2O_5$, следовательно:

$n(P_2O_5) = \frac{1}{2} \cdot n(P) = \frac{1}{2} \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

Молярная масса оксида фосфора(V) $M(P_2O_5) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142 \text{ г/моль}$.

Масса оксида фосфора(V):

$m(P_2O_5) = n(P_2O_5) \cdot M(P_2O_5) = 0,3 \text{ моль} \cdot 142 \text{ г/моль} = 42,6 \text{ г}$

5. Оксид фосфора(V) растворили в воде и прокипятили. При взаимодействии с горячей водой (или при кипячении) $P_2O_5$ образует ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$):

$P_2O_5 + 3H_2O \xrightarrow{t} 2H_3PO_4$

6. Рассчитаем количество вещества и массу полученной ортофосфорной кислоты.

По уравнению реакции из $1 \text{ моль}$ $P_2O_5$ образуется $2 \text{ моль}$ $H_3PO_4$:

$n(H_3PO_4) = 2 \cdot n(P_2O_5) = 2 \cdot 0,3 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль}$

Молярная масса ортофосфорной кислоты $M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$.

Масса ортофосфорной кислоты:

$m(H_3PO_4) = n(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0,6 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 58,8 \text{ г}$

7. Рассчитаем массу конечного раствора. Она складывается из массы растворенного оксида фосфора(V) и массы воды.

$m_{раствора} = m(P_2O_5) + m(H_2O) = 42,6 \text{ г} + 100 \text{ г} = 142,6 \text{ г}$

8. Найдем массовую долю ($\omega$) кислоты в полученном растворе.

$\omega(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{m_{раствора}} = \frac{58,8 \text{ г}}{142,6 \text{ г}} \approx 0,4123$

Выразим массовую долю в процентах:

$\omega(H_3PO_4) = 0,4123 \cdot 100\% = 41,23\%$

Ответ: массовая доля кислоты в полученном растворе составляет 41,23%.