Страница 210 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.164. Предложите способ, как можно очистить азот от примеси: а) кислорода; б)сероводорода.

Решение

Для очистки азота от примесей необходимо подобрать реагенты, которые будут вступать в химическую реакцию с примесями, но не будут реагировать с азотом. Азот ($N_2$) является химически инертным газом при обычных условиях из-за наличия прочной тройной связи между атомами, что позволяет легко отделить его от более химически активных примесей.

а) кислорода

Для удаления примеси кислорода ($O_2$) из азота, газовую смесь можно пропустить через трубку с нагретой медью (в виде стружки или порошка). Кислород, будучи активным газом, будет реагировать с медью, образуя твердый оксид меди(II). Инертный азот не вступает в реакцию и проходит через трубку, выходя в очищенном виде.

Уравнение реакции поглощения кислорода:

$2Cu_{(тв)} + O_{2(г)} \xrightarrow{t^\circ} 2CuO_{(тв)}$

Таким образом, газообразный кислород связывается в твердое вещество, что позволяет отделить его от азота.

Ответ: Пропустить газовую смесь через трубку с раскаленной медной стружкой.

б) сероводорода

Сероводород ($H_2S$) проявляет кислотные свойства, поэтому для его удаления из азота можно использовать реакцию с веществом основного характера. Газовую смесь пропускают (барботируют) через раствор щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). Сероводород прореагирует с образованием растворимой соли (сульфида натрия) и воды. Азот, не обладающий кислотными свойствами и будучи инертным, не прореагирует со щелочью и выйдет из раствора чистым.

Уравнение реакции со щелочью:

$H_2S_{(г)} + 2NaOH_{(р-р)} \rightarrow Na_2S_{(р-р)} + 2H_2O_{(ж)}$

Альтернативным способом является пропускание газа через раствор соли тяжелого металла, например, сульфата меди(II) ($CuSO_4$). Сероводород будет реагировать с образованием черного нерастворимого осадка сульфида меди(II), который легко отделяется.

Уравнение реакции с солью меди:

$H_2S_{(г)} + CuSO_{4(р-р)} \rightarrow CuS_{(тв)}\downarrow + H_2SO_{4(р-р)}$

В обоих случаях примесь сероводорода удаляется из газовой фазы.

Ответ: Пропустить газовую смесь через раствор щелочи (например, $NaOH$) или через раствор соли тяжелого металла (например, $CuSO_4$).

7.165. Смешали 200 г 6,9%-го раствора нитрита натрия и 100 г 5,35%-го раствора хлорида аммония. Раствор нагрели. Определите объём выделившегося газа (н. у.) и массовые доли веществ в конечном растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(NaNO_2) = 200$ г
$\omega(NaNO_2) = 6,9\% = 0,069$
$m_{р-ра}(NH_4Cl) = 100$ г
$\omega(NH_4Cl) = 5,35\% = 0,0535$

Найти:

$V(N_2)$ (н. у.) - ?
$\omega_{конечн.}(NaCl)$ - ?
$\omega_{конечн.}(NaNO_2)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции, которая происходит при нагревании смеси растворов нитрита натрия и хлорида аммония:

$NaNO_2 + NH_4Cl \xrightarrow{t} N_2\uparrow + NaCl + 2H_2O$

2. Рассчитаем массы чистых реагентов в исходных растворах:

$m(NaNO_2) = m_{р-ра}(NaNO_2) \cdot \omega(NaNO_2) = 200 \text{ г} \cdot 0,069 = 13,8 \text{ г}$

$m(NH_4Cl) = m_{р-ра}(NH_4Cl) \cdot \omega(NH_4Cl) = 100 \text{ г} \cdot 0,0535 = 5,35 \text{ г}$

3. Вычислим молярные массы и количество вещества (в молях) для каждого реагента:

$M(NaNO_2) = 23 + 14 + 2 \cdot 16 = 69$ г/моль
$M(NH_4Cl) = 14 + 4 \cdot 1 + 35,5 = 53,5$ г/моль

$n(NaNO_2) = \frac{m(NaNO_2)}{M(NaNO_2)} = \frac{13,8 \text{ г}}{69 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

$n(NH_4Cl) = \frac{m(NH_4Cl)}{M(NH_4Cl)} = \frac{5,35 \text{ г}}{53,5 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, реагенты взаимодействуют в мольном соотношении 1:1. Сравнив количества веществ, определим, что хлорид аммония ($NH_4Cl$) находится в недостатке и прореагирует полностью, а нитрит натрия ($NaNO_2$) — в избытке. Дальнейшие расчеты ведем по недостатку ($NH_4Cl$).

Объём выделившегося газа (н. у.)

По уравнению реакции, количество выделившегося азота равно количеству прореагировавшего хлорида аммония:

$n(N_2) = n(NH_4Cl) = 0,1 \text{ моль}$

Рассчитаем объем выделившегося азота при нормальных условиях (н. у.), используя молярный объем газов $V_m = 22,4$ л/моль:

$V(N_2) = n(N_2) \cdot V_m = 0,1 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 2,24 \text{ л}$

Ответ: Объём выделившегося газа (азота) составляет 2,24 л.

Массовые доли веществ в конечном растворе

Сначала найдем массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходных растворов за вычетом массы выделившегося газа (азота).

Масса выделившегося азота:

$m(N_2) = n(N_2) \cdot M(N_2) = 0,1 \text{ моль} \cdot (2 \cdot 14 \text{ г/моль}) = 2,8 \text{ г}$

Масса конечного раствора:

$m_{конечн. р-ра} = m_{р-ра}(NaNO_2) + m_{р-ра}(NH_4Cl) - m(N_2) = 200 \text{ г} + 100 \text{ г} - 2,8 \text{ г} = 297,2 \text{ г}$

Теперь определим массы веществ, содержащихся в конечном растворе. Это образовавшийся хлорид натрия ($NaCl$) и оставшийся в избытке нитрит натрия ($NaNO_2$).

Количество и масса образовавшегося $NaCl$ (по уравнению $n(NaCl) = n(NH_4Cl)$):

$n(NaCl) = 0,1 \text{ моль}$

$M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5$ г/моль

$m(NaCl) = n(NaCl) \cdot M(NaCl) = 0,1 \text{ моль} \cdot 58,5 \text{ г/моль} = 5,85 \text{ г}$

Количество и масса оставшегося $NaNO_2$:

$n(NaNO_2)_{прореаг.} = n(NH_4Cl) = 0,1 \text{ моль}$

$n(NaNO_2)_{ост.} = n(NaNO_2)_{исх.} - n(NaNO_2)_{прореаг.} = 0,2 \text{ моль} - 0,1 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

$m(NaNO_2)_{ост.} = n(NaNO_2)_{ост.} \cdot M(NaNO_2) = 0,1 \text{ моль} \cdot 69 \text{ г/моль} = 6,9 \text{ г}$

Рассчитаем массовые доли ($ \omega $) веществ в конечном растворе:

$\omega(NaCl) = \frac{m(NaCl)}{m_{конечн. р-ра}} \cdot 100\% = \frac{5,85 \text{ г}}{297,2 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 1,97\%$

$\omega(NaNO_2) = \frac{m(NaNO_2)_{ост.}}{m_{конечн. р-ра}} \cdot 100\% = \frac{6,9 \text{ г}}{297,2 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 2,32\%$

Ответ: Массовые доли веществ в конечном растворе: хлорида натрия ($NaCl$) - 1,97%, нитрита натрия ($NaNO_2$) - 2,32%.

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.