Страница 112 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.157. Стехиометрическая смесь этилена и кислорода была введена в Вакер-процесс. Полученную смесь пропустили через избыток аммиачного раствора оксида серебра. При этом объём смеси уменьшился в 6 раз. Определите выход на стадии Вакер-процесса.

Дано:

Исходная смесь: стехиометрическая смесь $C_2H_4$ и $O_2$ для Вакер-процесса.

Уменьшение объёма после поглощения: $\frac{V_{смеси\_после\_реакции}}{V_{смеси\_после\_поглощения}} = 6$

Найти:

$\eta$ — выход на стадии Вакер-процесса.

Решение:

1. Вакер-процесс представляет собой каталитическое окисление этилена кислородом в ацетальдегид. Запишем уравнение реакции:

$2C_2H_4 + O_2 \xrightarrow{PdCl_2, CuCl_2} 2CH_3CHO$

2. По условию, исходная смесь этилена и кислорода является стехиометрической. Это означает, что мольное (и объёмное, по закону Авогадро) соотношение реагентов равно соотношению стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции:

$\frac{n(C_2H_4)}{n(O_2)} = \frac{V(C_2H_4)}{V(O_2)} = \frac{2}{1}$

3. Пусть в начальной смеси было $2V$ литров этилена ($C_2H_4$) и $V$ литров кислорода ($O_2$). Общий объём исходной смеси составляет $2V + V = 3V$ литров.

4. Обозначим выход реакции как $\eta$. Это доля этилена, вступившего в реакцию, от его исходного количества. Тогда объём прореагировавшего этилена составляет $2V \cdot \eta$.

5. Исходя из стехиометрии реакции, рассчитаем объёмы прореагировавшего кислорода и образовавшегося ацетальдегида ($CH_3CHO$):

$V_{реаг}(O_2) = \frac{1}{2} V_{реаг}(C_2H_4) = \frac{1}{2} (2V\eta) = V\eta$

$V_{обр}(CH_3CHO) = V_{реаг}(C_2H_4) = 2V\eta$

6. После реакции в газовой смеси ($V_1$) будут находиться непрореагировавшие этилен и кислород, а также пары образовавшегося ацетальдегида. Найдём их объёмы:

$V_{ост}(C_2H_4) = V_{исх}(C_2H_4) - V_{реаг}(C_2H_4) = 2V - 2V\eta = 2V(1-\eta)$

$V_{ост}(O_2) = V_{исх}(O_2) - V_{реаг}(O_2) = V - V\eta = V(1-\eta)$

$V(CH_3CHO) = 2V\eta$

7. Общий объём газовой смеси после реакции ($V_1$) равен сумме объёмов её компонентов:

$V_1 = V_{ост}(C_2H_4) + V_{ост}(O_2) + V(CH_3CHO) = 2V(1-\eta) + V(1-\eta) + 2V\eta$

$V_1 = 2V - 2V\eta + V - V\eta + 2V\eta = 3V - V\eta = V(3-\eta)$

8. Полученную смесь пропускают через избыток аммиачного раствора оксида серебра (реактив То́лленса). С этим реагентом реагирует только ацетальдегид, так как он содержит альдегидную группу:

$CH_3CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow CH_3COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

В результате ацетальдегид полностью поглощается из газовой фазы. Этилен и кислород с реактивом То́лленса не взаимодействуют.

9. Объём газовой смеси после поглощения ацетальдегида ($V_2$) будет состоять только из объёмов оставшихся этилена и кислорода:

$V_2 = V_{ост}(C_2H_4) + V_{ост}(O_2) = 2V(1-\eta) + V(1-\eta) = 3V(1-\eta)$

10. По условию, объём смеси при пропускании через раствор уменьшился в 6 раз. Это значит, что отношение объёма до поглощения ($V_1$) к объёму после поглощения ($V_2$) равно 6:

$\frac{V_1}{V_2} = 6$

11. Подставим полученные выражения для $V_1$ и $V_2$ и решим уравнение относительно $\eta$:

$\frac{V(3-\eta)}{3V(1-\eta)} = 6$

Сократим $V$:

$\frac{3-\eta}{3(1-\eta)} = 6$

$3-\eta = 18(1-\eta)$

$3-\eta = 18 - 18\eta$

$18\eta - \eta = 18 - 3$

$17\eta = 15$

$\eta = \frac{15}{17}$

12. Для наглядности можно перевести выход в проценты:

$\eta = \frac{15}{17} \cdot 100\% \approx 88.24\%$

Ответ: выход на стадии Вакер-процесса составляет $\frac{15}{17}$ или примерно $88.24\%$.