Страница 211 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.167. В пяти колбах находятся следующие газы: хлор, азот, кислород, сернистый газ, углекислый газ. Как их различить?

Решение

Для того чтобы различить газы, находящиеся в пяти колбах — хлор ($Cl_2$), азот ($N_2$), кислород ($O_2$), сернистый газ ($SO_2$) и углекислый газ ($CO_2$), необходимо провести ряд последовательных экспериментов, основанных на их характерных физических и химических свойствах.

Шаг 1. Определение газов по внешним признакам (цвет и запах).

В первую очередь следует осмотреть колбы и осторожно проверить запах газов (соблюдая технику безопасности, направляя газ к носу движением ладони).
• Колба с желто-зеленым газом содержит хлор ($Cl_2$), который также обладает резким, удушливым запахом.
• Среди оставшихся бесцветных газов по характерному резкому запаху горелой спички определяется сернистый газ ($SO_2$).
После этого шага остаются три колбы с бесцветными и не имеющими запаха газами: кислородом, азотом и углекислым газом.

Шаг 2. Определение кислорода с помощью тлеющей лучинки.

В каждую из трех оставшихся колб вносится тлеющая деревянная лучинка.
• В колбе, где лучинка ярко вспыхивает, находится кислород ($O_2$), так как он активно поддерживает горение.
• В колбах с азотом ($N_2$) и углекислым газом ($CO_2$) лучинка потухнет, поскольку эти газы горение не поддерживают.

Шаг 3. Различение углекислого газа и азота с помощью известковой воды.

Для идентификации двух последних газов используется качественная реакция на углекислый газ. Газ из каждой оставшейся колбы пропускают через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция $Ca(OH)_2$).
• Тот газ, что вызывает помутнение известковой воды за счет образования белого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$), является углекислым газом ($CO_2$). Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$.
• Газ, который не вызывает никаких изменений в известковой воде, — это азот ($N_2$), ввиду его химической инертности в данных условиях.

Ответ:

Чтобы различить газы, необходимо последовательно:
1. Определить хлор ($Cl_2$) по его желто-зеленому цвету.
2. Определить сернистый газ ($SO_2$) по характерному резкому запаху.
3. Определить кислород ($O_2$) по тому, что он заставляет тлеющую лучинку ярко вспыхнуть.
4. Различить оставшиеся два газа с помощью известковой воды: углекислый газ ($CO_2$) вызовет помутнение, а азот ($N_2$) не вызовет реакции.

7.168. Для очистки азота от различных газов его пропускают через промывные склянки, содержащие растворы веществ. От примеси каких газов можно избавиться, пропуская азот через промывную склянку: а) с раствором гидроксида натрия; б) с концентрированной серной кислотой?

Очистка азота основана на том, что сам азот ($N_2$) — химически очень инертный газ из-за прочной тройной связи в молекуле. В обычных условиях он не будет реагировать ни с раствором щелочи, ни с концентрированной серной кислотой. Поэтому через эти растворы можно пропускать газовую смесь для удаления примесей, которые будут с ними взаимодействовать.

Раствор гидроксида натрия ($NaOH$) является сильной щелочью. Он вступает в реакцию нейтрализации с газами, которые проявляют кислотные свойства. Таким образом, пропуская азот через раствор гидроксида натрия, можно очистить его от примесей кислотных газов.

К таким газам относятся кислотные оксиды (например, углекислый газ $CO_2$, диоксид серы $SO_2$, диоксид азота $NO_2$), галогеноводороды (например, хлороводород $HCl$) и другие газы с кислотными свойствами (например, сероводород $H_2S$).

Примеры реакций поглощения примесей:

$CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

$SO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_3 + H_2O$

$2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

$H_2S + 2NaOH \rightarrow Na_2S + 2H_2O$

Ответ: От примесей газов, обладающих кислотными свойствами, таких как углекислый газ ($CO_2$), диоксид серы ($SO_2$), диоксид азота ($NO_2$), сероводород ($H_2S$), галогеноводороды (например, $HCl$).

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) обладает несколькими важными свойствами: она является сильной кислотой, сильным окислителем и эффективным водоотнимающим (осушающим) средством.

1. Как сильная кислота, она реагирует с газами, обладающими основными свойствами. Самый распространенный такой газ — аммиак ($NH_3$).

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

2. Как водоотнимающее средство, концентрированная серная кислота поглощает пары воды ($H_2O$), тем самым осушая азот.

3. Как сильный окислитель, она может реагировать с некоторыми газами-восстановителями, например, с сероводородом ($H_2S$).

$H_2S + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow S \downarrow + SO_2 \uparrow + 2H_2O$

Таким образом, серная кислота позволяет удалить из азота примеси основного характера и осушить его.

Ответ: От примесей газов, обладающих основными свойствами (в первую очередь, аммиака $NH_3$), от паров воды ($H_2O$), а также от некоторых газов-восстановителей (например, $H_2S$).

7.169. Как можно экспериментально доказать, что азот содержит примесь: а) хлора; б) хлороводорода?

Решение

a) хлора: Для обнаружения примеси хлора ($Cl_2$) в азоте можно использовать его окислительные свойства. Газовую смесь необходимо пропустить через раствор иодида калия ($KI$) с добавлением крахмального клейстера. Хлор, будучи более активным галогеном, вытесняет иод из его соли:
$Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$
Выделившийся свободный иод ($I_2$) при взаимодействии с крахмалом образует комплексное соединение интенсивного сине-фиолетового цвета. Появление этого окрашивания доказывает наличие хлора в исходной газовой смеси. Азот в данной реакции не участвует.
Ответ: Необходимо пропустить газ через раствор иодида калия с крахмалом. Появление сине-фиолетового окрашивания свидетельствует о наличии примеси хлора.

б) хлороводорода: Примесь хлороводорода ($HCl$) можно обнаружить несколькими способами, основанными на его кислотных свойствах или на качественной реакции на хлорид-ион.
1. Реакция с нитратом серебра. Газовую смесь пропускают через раствор нитрата серебра ($AgNO_3$). Хлороводород, растворяясь в воде, образует соляную кислоту, которая реагирует с нитратом серебра с образованием белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$):
$HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$
Выпадение белого осадка, нерастворимого в азотной кислоте, доказывает присутствие хлороводорода.
2. Реакция с аммиаком. К струе исследуемого газа можно поднести стеклянную палочку, смоченную концентрированным раствором аммиака ($NH_3$). При наличии хлороводорода будет наблюдаться появление белого дыма – твёрдых частиц хлорида аммония ($NH_4Cl$):
$HCl(г) + NH_3(г) \rightarrow NH_4Cl(т)$
3. Использование индикатора. Можно пропустить газ через воду с добавлением индикатора (например, лакмуса или метилоранжа) или просто поднести к струе газа влажную синюю лакмусовую бумажку. При наличии $HCl$ вода станет кислой, и индикатор изменит цвет (лакмус станет красным).
Ответ: Необходимо пропустить газ через раствор нитрата серебра. Образование белого творожистого осадка указывает на наличие примеси хлороводорода.

7.170. В колбе при н. у. находится 200 мл азота. Какую массу имеет азот, содержащийся в колбе?

Дано:

Объем азота $V = 200 \text{ мл}$
Газ - азот ($N_2$)
Условия - нормальные (н. у.)

Найти:

Массу азота $m$.

Решение:

Для решения данной задачи воспользуемся понятием молярного объема газа. При нормальных условиях (н. у.), которые соответствуют температуре $T = 0 \text{°C}$ ($273.15 \text{ К}$) и давлению $P = 1 \text{ атм}$ ($101325 \text{ Па}$), один моль любого идеального газа занимает объем $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

1. Определим количество вещества (число молей) $n$ азота, используя его объем $V$ и молярный объем $V_m$. Для этого сначала переведем объем из миллилитров в литры:

$V = 200 \text{ мл} = 0.2 \text{ л}$

Формула для расчета количества вещества:

$n = \frac{V}{V_m}$

Подставим значения:

$n = \frac{0.2 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.00893 \text{ моль}$

2. Теперь найдем массу азота. Масса $m$ связана с количеством вещества $n$ и молярной массой $M$ следующим соотношением:

$m = n \cdot M$

Азот является двухатомным газом (химическая формула $N_2$). Молярная масса атома азота (N) составляет примерно $14 \text{ г/моль}$. Следовательно, молярная масса молекулярного азота $N_2$ равна:

$M(N_2) = 2 \cdot 14 \text{ г/моль} = 28 \text{ г/моль}$

3. Вычислим массу азота, подставив найденные значения в формулу:

$m \approx 0.00893 \text{ моль} \cdot 28 \text{ г/моль} \approx 0.25 \text{ г}$

Ответ: масса азота, содержащегося в колбе, составляет 0.25 г.

7.171. Смесь азота с кислородом, имеющую среднюю молярную массу 30, пропустили через газоразрядную трубку. На выходе из трубки получена газовая смесь, имеющая при 200 °C среднюю молярную массу 30,3. Определите состав конечной смеси в объёмных процентах.

Дано:

Смесь $N_2$ и $O_2$.

Средняя молярная масса исходной смеси $M_{ср1} = 30$ г/моль.

Средняя молярная масса конечной смеси $M_{ср2} = 30,3$ г/моль.

Температура конечной смеси $t = 200$ °С.

Найти:

Объемные доли компонентов в конечной смеси: $\phi_{конечн.}(N_2)$, $\phi_{конечн.}(O_2)$, $\phi_{конечн.}(O_3)$ - ?

Решение:

1. Определим начальный состав смеси азота и кислорода. Молярные массы компонентов: $M(N_2) = 28$ г/моль; $M(O_2) = 32$ г/моль. Средняя молярная масса бинарной смеси вычисляется по формуле $M_{ср} = \chi_1 M_1 + \chi_2 M_2$, где $\chi$ - мольная доля компонента. Для идеальных газов мольная доля равна объемной доле.

Пусть мольная доля азота в исходной смеси $\chi(N_2) = x$, тогда мольная доля кислорода $\chi(O_2) = 1-x$.

Составим уравнение на основе средней молярной массы исходной смеси:

$M_{ср1} = x \cdot M(N_2) + (1-x) \cdot M(O_2)$

$30 = x \cdot 28 + (1-x) \cdot 32$

$30 = 28x + 32 - 32x$

$4x = 2$

$x = 0,5$

Следовательно, исходная смесь состояла из 50% азота и 50% кислорода по объему.

2. При прохождении смеси через газоразрядную трубку часть кислорода превращается в озон ($O_3$), молярная масса которого $M(O_3) = 48$ г/моль. Азот в этих условиях инертен. Происходит химическая реакция:

$3O_2 \rightarrow 2O_3$

Из уравнения реакции следует, что из 3 молей газа ($O_2$) образуется 2 моля газа ($O_3$), что приводит к уменьшению общего количества вещества в газовой смеси. Поскольку масса системы сохраняется (закон сохранения массы), уменьшение общего количества вещества ведет к увеличению средней молярной массы смеси ($M_{ср} = m_{общ} / n_{общ}$).

3. Произведем расчет состава конечной смеси. Для удобства предположим, что исходно был 1 моль смеси. Тогда $n_{исх}(N_2) = 0,5$ моль и $n_{исх}(O_2) = 0,5$ моль. Общая масса смеси $m_{общ}$ постоянна:

$m_{общ} = n_{исх} \cdot M_{ср1} = 1 \text{ моль} \cdot 30 \text{ г/моль} = 30 \text{ г}$.

Пусть в реакцию вступило $y$ моль $O_2$. Тогда, согласно стехиометрии, образовалось $\frac{2}{3}y$ моль $O_3$.

Количества веществ в конечной смеси:

$n_{кон}(N_2) = 0,5$ моль (не изменилось)

$n_{кон}(O_2) = 0,5 - y$ моль (оставшийся)

$n_{кон}(O_3) = \frac{2}{3}y$ моль (образовавшийся)

Общее количество вещества в конечной смеси $n_{общ.кон}$:

$n_{общ.кон} = n_{кон}(N_2) + n_{кон}(O_2) + n_{кон}(O_3) = 0,5 + (0,5 - y) + \frac{2}{3}y = 1 - \frac{1}{3}y$

Используем значение средней молярной массы конечной смеси для нахождения $y$:

$M_{ср2} = \frac{m_{общ}}{n_{общ.кон}}$

$30,3 = \frac{30}{1 - y/3}$

$1 - \frac{y}{3} = \frac{30}{30,3} = \frac{300}{303} = \frac{100}{101}$

$\frac{y}{3} = 1 - \frac{100}{101} = \frac{1}{101}$

$y = \frac{3}{101}$ моль.

4. Определим состав конечной смеси в объемных (мольных) процентах. Сначала найдем моли каждого компонента и общее количество молей в конечной смеси:

$n_{кон}(N_2) = 0,5$ моль

$n_{кон}(O_2) = 0,5 - \frac{3}{101} = \frac{1}{2} - \frac{3}{101} = \frac{101-6}{202} = \frac{95}{202}$ моль

$n_{кон}(O_3) = \frac{2}{3} \cdot \frac{3}{101} = \frac{2}{101}$ моль

$n_{общ.кон} = 1 - \frac{1}{3}y = 1 - \frac{1}{3} \cdot \frac{3}{101} = 1 - \frac{1}{101} = \frac{100}{101}$ моль

Объемные доли ($\phi$) равны мольным долям. Выразим их в процентах:

$\phi(N_2) = \frac{n_{кон}(N_2)}{n_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{0,5}{100/101} \cdot 100\% = 0,5 \cdot \frac{101}{100} \cdot 100\% = 50,5\%$

$\phi(O_2) = \frac{n_{кон}(O_2)}{n_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{95/202}{100/101} \cdot 100\% = \frac{95}{2 \cdot 101} \cdot \frac{101}{100} \cdot 100\% = \frac{95}{2}\% = 47,5\%$

$\phi(O_3) = \frac{n_{кон}(O_3)}{n_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{2/101}{100/101} \cdot 100\% = \frac{2}{100} \cdot 100\% = 2\%$

Проверка: $50,5\% + 47,5\% + 2\% = 100\%$. Температура 200 °С в расчетах не используется, она лишь указывает на газовое состояние смеси, при котором объемные доли равны мольным.

Ответ: объемный состав конечной смеси: азот ($N_2$) – 50,5%; кислород ($O_2$) – 47,5%; озон ($O_3$) – 2%.

7.172. На атомы азота приходится 0,01% массы земной коры, а на атомы фосфора – 0,08%. Сколько атомов фосфора в земной коре приходится на один атом азота?

Дано:

Массовая доля атомов азота в земной коре: $w_N = 0,01\%$
Массовая доля атомов фосфора в земной коре: $w_P = 0,08\%$

Переведем данные в безразмерные величины и используем справочные данные (молярные массы, округленные до целых) в СИ:
$w_N = 0,0001$
$w_P = 0,0008$
Молярная масса азота (N): $M_N \approx 14 \text{ г/моль} = 14 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}$
Молярная масса фосфора (P): $M_P \approx 31 \text{ г/моль} = 31 \cdot 10^{-3} \text{ кг/моль}$

Найти:

Отношение числа атомов фосфора к числу атомов азота: $\frac{N_P}{N_N}$

Решение:

Пусть $M_{ЗК}$ — общая масса земной коры. Тогда масса всех атомов азота ($m_N$) и всех атомов фосфора ($m_P$) в земной коре вычисляется как:
$m_N = w_N \cdot M_{ЗК}$
$m_P = w_P \cdot M_{ЗК}$

Число атомов элемента ($N_{ат}$) связано с его массой ($m$), молярной массой ($M$) и постоянной Авогадро ($N_A$) по формуле:
$N_{ат} = \frac{m}{M} \cdot N_A$

Соответственно, число атомов азота ($N_N$) и фосфора ($N_P$) равно:
$N_N = \frac{m_N}{M_N} \cdot N_A = \frac{w_N \cdot M_{ЗК}}{M_N} \cdot N_A$
$N_P = \frac{m_P}{M_P} \cdot N_A = \frac{w_P \cdot M_{ЗК}}{M_P} \cdot N_A$

Чтобы найти, сколько атомов фосфора приходится на один атом азота, найдем их отношение $\frac{N_P}{N_N}$:
$\frac{N_P}{N_N} = \frac{\frac{w_P \cdot M_{ЗК}}{M_P} \cdot N_A}{\frac{w_N \cdot M_{ЗК}}{M_N} \cdot N_A}$

В данном выражении общая масса земной коры $M_{ЗК}$ и постоянная Авогадро $N_A$ сокращаются. В результате формула для искомого отношения упрощается:
$\frac{N_P}{N_N} = \frac{w_P/M_P}{w_N/M_N} = \frac{w_P}{w_N} \cdot \frac{M_N}{M_P}$

Подставим числовые значения. Для расчета отношения молярных масс можно использовать их значения в г/моль, так как единицы измерения сократятся.
$\frac{N_P}{N_N} = \frac{0,08\%}{0,01\%} \cdot \frac{14}{31} = 8 \cdot \frac{14}{31}$

Произведем вычисления:
$\frac{N_P}{N_N} = \frac{112}{31} \approx 3,6129$

Округляя результат, получаем, что на один атом азота приходится примерно 3,6 атома фосфора.

Ответ: на один атом азота в земной коре приходится примерно 3,6 атома фосфора.

7.173. Какое из минеральных удобрений наиболее богато азотом?

Чтобы определить, какое из минеральных удобрений наиболее богато азотом, необходимо рассчитать и сравнить массовую долю азота ($\omega(N)$) в наиболее распространенных из них. Массовая доля показывает, какая часть от общей массы вещества приходится на данный химический элемент.

Дано:

Основные виды азотных минеральных удобрений: аммиачная селитра ($NH_4NO_3$), мочевина (карбамид) ($CO(NH_2)_2$), сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$), аммиак ($NH_3$).
Относительные атомные массы элементов (округленные):
$A_r(H) = 1$
$A_r(C) = 12$
$A_r(N) = 14$
$A_r(O) = 16$
$A_r(S) = 32$

Найти:

Минеральное удобрение с наибольшей массовой долей азота ($\omega(N)_{max}$).

Решение:

Массовую долю элемента в химическом соединении вычисляют по формуле:

$\omega(\text{элемента}) = \frac{n \cdot A_r(\text{элемента})}{M_r(\text{соединения})} \cdot 100\%$

где $n$ — количество атомов элемента в формульной единице, $A_r$ — относительная атомная масса элемента, а $M_r$ — относительная молекулярная (или формульная) масса соединения. Рассчитаем массовую долю азота для каждого удобрения.

Расчет массовой доли азота в аммиачной селитре (нитрате аммония), $NH_4NO_3$

Относительная молекулярная масса соединения:
$M_r(NH_4NO_3) = A_r(N) + 4 \cdot A_r(H) + A_r(N) + 3 \cdot A_r(O) = 14 + 4 \cdot 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 80$.
В одной формульной единице содержится 2 атома азота.
Массовая доля азота:
$\omega(N) = \frac{2 \cdot A_r(N)}{M_r(NH_4NO_3)} = \frac{2 \cdot 14}{80} = \frac{28}{80} = 0.35$
Ответ: Массовая доля азота в аммиачной селитре составляет 35%.

Расчет массовой доли азота в мочевине (карбамиде), $CO(NH_2)_2$

Относительная молекулярная масса соединения:
$M_r(CO(NH_2)_2) = A_r(C) + A_r(O) + 2 \cdot (A_r(N) + 2 \cdot A_r(H)) = 12 + 16 + 2 \cdot (14 + 2 \cdot 1) = 60$.
В одной формульной единице содержится 2 атома азота.
Массовая доля азота:
$\omega(N) = \frac{2 \cdot A_r(N)}{M_r(CO(NH_2)_2)} = \frac{2 \cdot 14}{60} = \frac{28}{60} \approx 0.467$
Ответ: Массовая доля азота в мочевине составляет примерно 46.7%.

Расчет массовой доли азота в сульфате аммония, $(NH_4)_2SO_4$

Относительная молекулярная масса соединения:
$M_r((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot (A_r(N) + 4 \cdot A_r(H)) + A_r(S) + 4 \cdot A_r(O) = 2 \cdot (14 + 4 \cdot 1) + 32 + 4 \cdot 16 = 132$.
В одной формульной единице содержится 2 атома азота.
Массовая доля азота:
$\omega(N) = \frac{2 \cdot A_r(N)}{M_r((NH_4)_2SO_4)} = \frac{2 \cdot 14}{132} = \frac{28}{132} \approx 0.212$
Ответ: Массовая доля азота в сульфате аммония составляет примерно 21.2%.

Расчет массовой доли азота в аммиаке, $NH_3$

Аммиак (обычно в виде сжиженного газа или водного раствора - нашатырного спирта) является одним из самых концентрированных азотных удобрений.
Относительная молекулярная масса соединения:
$M_r(NH_3) = A_r(N) + 3 \cdot A_r(H) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$.
В одной молекуле содержится 1 атом азота.
Массовая доля азота:
$\omega(N) = \frac{1 \cdot A_r(N)}{M_r(NH_3)} = \frac{14}{17} \approx 0.824$
Ответ: Массовая доля азота в аммиаке составляет примерно 82.4%.

Сравнение результатов и итоговый вывод

Сравним полученные значения массовой доли азота в рассмотренных удобрениях:
1. Аммиак ($NH_3$): $\approx 82.4\%$
2. Мочевина ($CO(NH_2)_2$): $\approx 46.7\%$
3. Аммиачная селитра ($NH_4NO_3$): $35\%$
4. Сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$): $\approx 21.2\%$

Из сравнения видно, что самое высокое содержание азота среди всех азотных удобрений имеет аммиак. Если же рассматривать только твердые гранулированные удобрения, то наиболее богатым азотом является мочевина (карбамид).

Ответ: Наиболее богатым азотом минеральным удобрением является аммиак ($NH_3$) с массовой долей азота около 82.4%. Среди широко используемых твердых удобрений самое высокое содержание азота у мочевины ($CO(NH_2)_2$) - около 46.7%.

7.174. Чистый азот можно получить, пропуская смесь аммиака и оксида азота(II) над платиновым катализатором. Найдите среднюю молярную массу смеси этих газов, при пропускании которой над катализатором образуется чистый азот без примеси исходных веществ.

Дано:

Смесь аммиака ($NH_3$) и оксида азота(II) ($NO$).

Условие: при пропускании смеси над катализатором образуется чистый азот ($N_2$) без примеси исходных веществ.

Найти:

Среднюю молярную массу смеси ($M_{ср}$).

Решение:

1. Для получения чистого азота без примесей исходных веществ необходимо, чтобы аммиак ($NH_3$) и оксид азота(II) ($NO$) прореагировали полностью. Это возможно, если они взяты в стехиометрическом соотношении. Запишем уравнение реакции, протекающей на платиновом катализаторе:

$4NH_3 + 6NO \xrightarrow{Pt} 5N_2 + 6H_2O$

2. Из уравнения реакции следует, что молярное соотношение реагентов должно быть:

$n(NH_3) : n(NO) = 4 : 6 = 2 : 3$

Это означает, что в исходной газовой смеси на каждые 2 моль аммиака приходится 3 моль оксида азота(II).

3. Средняя молярная масса газовой смеси ($M_{ср}$) вычисляется по формуле:

$M_{ср} = \chi(NH_3) \cdot M(NH_3) + \chi(NO) \cdot M(NO)$

где $\chi$ — мольная доля компонента, а $M$ — его молярная масса.

4. Рассчитаем молярные массы компонентов, используя относительные атомные массы: $Ar(N) = 14$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

$M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль

$M(NO) = 14 + 16 = 30$ г/моль

5. Найдем мольные доли газов в смеси. Общее число молей в смеси, соответствующей стехиометрическому соотношению, можно принять за $n_{общ} = 2 + 3 = 5$ моль.

Мольная доля аммиака:

$\chi(NH_3) = \frac{n(NH_3)}{n_{общ}} = \frac{2}{5} = 0,4$

Мольная доля оксида азота(II):

$\chi(NO) = \frac{n(NO)}{n_{общ}} = \frac{3}{5} = 0,6$

6. Подставим значения в формулу для средней молярной массы:

$M_{ср} = (0,4 \cdot 17 \text{ г/моль}) + (0,6 \cdot 30 \text{ г/моль}) = 6,8 \text{ г/моль} + 18,0 \text{ г/моль} = 24,8 \text{ г/моль}$

Ответ: средняя молярная масса смеси газов составляет 24,8 г/моль.

7.175. Для полного восстановления смеси оксида азота(I) и оксида азота(IV) до азота израсходовано 300 мл водорода. Общий объём после приведения смеси к исходным условиям составил 225 мл. Определите состав взятой смеси, если её объём при тех же условиях равен 200 мл.

Дано:

$V_{смеси}(N_2O, NO_2) = 200 \text{ мл}$

$V_{реаг.}(H_2) = 300 \text{ мл}$

$V_{конечн.газов} = 225 \text{ мл}$

Все объемы измерены при одинаковых условиях.

Перевод в систему СИ (в данном случае не обязателен, т.к. расчеты ведутся с отношениями объемов):

$V_{смеси}(N_2O, NO_2) = 200 \times 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.0002 \text{ м}^3$

$V_{реаг.}(H_2) = 300 \times 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.0003 \text{ м}^3$

$V_{конечн.газов} = 225 \times 10^{-6} \text{ м}^3 = 0.000225 \text{ м}^3$

Найти:

Состав взятой смеси, то есть объемы $V(N_2O)$ и $V(NO_2)$.

Решение:

Запишем уравнения реакций полного восстановления оксидов азота водородом. Продуктами реакций являются азот и вода. При возвращении к исходным условиям (комнатной температуре и атмосферному давлению) вода будет находиться в жидком состоянии, и ее объемом в газовой фазе можно пренебречь.

1) $N_2O + H_2 \rightarrow N_2 + H_2O_{(ж)}$

2) $2NO_2 + 4H_2 \rightarrow N_2 + 4H_2O_{(ж)}$

Согласно закону Авогадро, для газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) отношение их объемов равно отношению их количеств (молей), а следовательно, и отношению стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Пусть в исходной смеси объемом 200 мл содержалось $x$ мл оксида азота(I), то есть $V(N_2O) = x$, и $y$ мл оксида азота(IV), то есть $V(NO_2) = y$.

Суммарный объем исходной смеси оксидов:

$x + y = 200$ (уравнение 1)

Теперь определим объем водорода, который был израсходован на восстановление каждого из оксидов.

Из уравнения (1) видно, что объемы $N_2O$ и $H_2$ соотносятся как 1:1. Следовательно, для восстановления $x$ мл $N_2O$ потребуется $x$ мл $H_2$.

Из уравнения (2) видно, что объемы $NO_2$ и $H_2$ соотносятся как 2:4 или 1:2. Следовательно, для восстановления $y$ мл $NO_2$ потребуется $2y$ мл $H_2$.

По условию, общий объем израсходованного (прореагировавшего) водорода равен 300 мл. Составим второе уравнение:

$x + 2y = 300$ (уравнение 2)

Получим систему из двух линейных уравнений с двумя переменными:

$\begin{cases} x + y = 200 \\ x + 2y = 300 \end{cases}$

Для решения системы вычтем уравнение (1) из уравнения (2):

$(x + 2y) - (x + y) = 300 - 200$

$y = 100$

Таким образом, объем оксида азота(IV) в исходной смеси составляет 100 мл.

Подставим найденное значение $y$ в уравнение (1), чтобы найти $x$:

$x + 100 = 200$

$x = 100$

Таким образом, объем оксида азота(I) в исходной смеси также составляет 100 мл.

Состав исходной смеси определен. Можно провести проверку, используя данные об общем объеме конечной газовой смеси (225 мл).

Конечная газовая смесь состоит из азота, образовавшегося в результате реакций, и возможного избытка водорода.

Найдем объем образовавшегося азота $N_2$:

Из реакции (1): $V(N_2) = V(N_2O) = x = 100$ мл.

Из реакции (2): $V(N_2) = \frac{1}{2} V(NO_2) = \frac{1}{2} y = \frac{1}{2} \cdot 100 = 50$ мл.

Общий объем полученного азота: $V_{общ.}(N_2) = 100 + 50 = 150$ мл.

Общий объем газов после реакции составляет 225 мл. Он равен сумме объемов полученного азота и избытка водорода (если он есть):

$V_{конечн.газов} = V_{общ.}(N_2) + V_{изб.}(H_2)$

$225 \text{ мл} = 150 \text{ мл} + V_{изб.}(H_2)$

$V_{изб.}(H_2) = 225 - 150 = 75$ мл.

Это означает, что в реакцию вступило 300 мл водорода, и 75 мл водорода осталось в избытке. Все условия задачи выполняются, следовательно, расчеты верны.

Ответ: состав взятой смеси: 100 мл оксида азота(I) ($N_2O$) и 100 мл оксида азота(IV) ($NO_2$).

7.176. Один из оксидов азота, реагируя с углём, образует азот и углекислый газ. Объёмы оксида азота, азота и углекислого газа относятся как 2 : 2 : 1. Определите формулу оксида.

Дано:

Реакция: $N_xO_y + C \rightarrow N_2 + CO_2$

Соотношение объемов газов: $V(N_xO_y) : V(N_2) : V(CO_2) = 2 : 2 : 1$

Найти:

Формулу оксида азота $N_xO_y$.

Решение:

Запишем общее уравнение реакции неизвестного оксида азота с углем:

$a N_xO_y + b C \rightarrow c N_2 + d CO_2$

где $a, b, c, d$ – стехиометрические коэффициенты.

Согласно закону Авогадро, для газов, находящихся в одинаковых условиях (температура и давление), соотношение их объемов равно соотношению их количеств вещества (молей). Следовательно, соотношение стехиометрических коэффициентов для газообразных участников реакции будет таким же, как и соотношение их объемов:

$a : c : d = V(N_xO_y) : V(N_2) : V(CO_2) = 2 : 2 : 1$

Примем эти числа в качестве коэффициентов для газообразных веществ в уравнении реакции. Пусть $a=2$, $c=2$, $d=1$. Тогда уравнение реакции принимает вид:

$2 N_xO_y + b C \rightarrow 2 N_2 + 1 CO_2$

Теперь составим баланс атомов для левой и правой частей уравнения, чтобы найти индексы $x$ и $y$ в формуле оксида.

1. Баланс по атому Азота (N):

В левой части уравнения количество атомов азота равно $2 \cdot x$.

В правой части уравнения количество атомов азота равно $2 \cdot 2 = 4$.

Приравниваем количество атомов:

$2x = 4$

$x = 2$

2. Баланс по атому Кислорода (O):

В левой части уравнения количество атомов кислорода равно $2 \cdot y$.

В правой части уравнения количество атомов кислорода равно $1 \cdot 2 = 2$.

Приравниваем количество атомов:

$2y = 2$

$y = 1$

Таким образом, искомая формула оксида азота – $N_2O_1$, или $N_2O$ (оксид азота(I), или закись азота).

Для полноты решения найдем коэффициент $b$ для углерода, составив баланс по атому Углерода (C):

В левой части: $b$ атомов углерода.

В правой части: $1$ атом углерода.

Следовательно, $b=1$.

Итоговое сбалансированное уравнение реакции выглядит так:

$2 N_2O + C \rightarrow 2 N_2 + CO_2$

Проверим соотношение коэффициентов газообразных веществ: $N_2O : N_2 : CO_2 = 2 : 2 : 1$, что соответствует условию задачи.

Ответ: Формула оксида азота – $N_2O$.

7.177. При пропускании электрического разряда через воздух в закрытом сосуде над водой происходит большее уменьшение объёма воздуха, чем при сжигании в нём фосфора. Дайте объяснение этому факту.

Данное явление объясняется тем, какие компоненты воздуха вступают в химические реакции в каждом из двух случаев. Воздух состоит преимущественно из азота ($N_2$, около 78%) и кислорода ($O_2$, около 21%).

При сжигании фосфора в воздухе происходит химическая реакция между фосфором и кислородом, который составляет примерно пятую часть воздуха. Азот, основной компонент воздуха, в этих условиях является инертным и в реакцию не вступает.
Уравнение реакции: $4P_{(тв)} + 5O_{2(г)} \rightarrow 2P_2O_{5(тв)}$.
В результате этой реакции газообразный кислород превращается в твёрдый оксид фосфора(V). Таким образом, уменьшение объема газа в сосуде соответствует объему прореагировавшего кислорода, то есть составляет примерно 21% от начального объема воздуха.

При пропускании электрического разряда через воздух условия кардинально иные. Высокая энергия разряда (подобно молнии) достаточна для разрыва очень прочных тройных связей в молекулах азота ($N \equiv N$), что позволяет ему вступить в реакцию с кислородом. Происходит каскад реакций:
1. Образование оксида азота(II): $N_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2NO_{(г)}$.
2. Быстрое окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV): $2NO_{(г)} + O_{2(г)} \rightarrow 2NO_{2(г)}$. На этом этапе уже происходит уменьшение объема, так как из 3 объемов газа образуется 2.
3. Ключевым является то, что процесс идет над водой. Газообразный оксид азота(IV) ($NO_2$) хорошо растворяется в воде и реагирует с ней и остатками кислорода, образуя жидкую азотную кислоту: $4NO_{2(г)} + O_{2(г)} + 2H_2O_{(ж)} \rightarrow 4HNO_{3(водн. р-р)}$.

В результате этого сложного процесса в реакцию вступают и удаляются из газовой фазы оба основных компонента воздуха — и кислород, и азот. Поскольку они суммарно составляют около 99% воздуха, общее уменьшение объема оказывается значительно большим, чем при сжигании фосфора, где из газовой фазы удаляется только кислород.

Ответ: При сжигании фосфора из воздуха расходуется только кислород (~21% объема). При пропускании электрического разряда в реакцию вступают как кислород, так и азот (~78% объема). Продукты их реакции (оксиды азота) поглощаются водой, переходя из газовой фазы в жидкую. Это приводит к удалению из газовой смеси обоих газов и, следовательно, к гораздо большему уменьшению общего объема.

7.178. Предложите способ, как очистить азот от примеси: а) аммиака; б) оксида азота(II).

а) аммиака;
Для очистки азота от примеси аммиака ($NH_3$) следует использовать их различные химические свойства. Азот ($N_2$) — очень инертный газ, в то время как аммиак проявляет ярко выраженные основные свойства и легко вступает в реакции с кислотами.
Метод очистки заключается в пропускании (барботировании) газовой смеси через промывную склянку с раствором кислоты, например, серной ($H_2SO_4$) или соляной ($HCl$). Аммиак прореагирует с кислотой, образовав нелетучую соль аммония, которая останется в растворе. Инертный азот не будет вступать в реакцию и выйдет из раствора в очищенном виде.
Уравнение реакции взаимодействия аммиака с серной кислотой:
$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$
При использовании концентрированной серной кислоты происходит также осушение азота.
Ответ: Пропустить газовую смесь через раствор сильной кислоты, например, серной.

б) оксида азота(II).
Очистка азота от оксида азота(II) ($NO$) основана на способности $NO$ к окислению, в отличие от инертного азота $N_2$.
Предлагаемый способ состоит из двух последовательных стадий:
1. К исходной газовой смеси добавляют кислород. Оксид азота(II) окисляется до оксида азота(IV) ($NO_2$) — газа бурого цвета. Азот в этих условиях с кислородом не реагирует.
Уравнение реакции:
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$
2. Получившуюся газовую смесь, содержащую $N_2$, $NO_2$ и избыток $O_2$, пропускают через раствор щелочи (например, гидроксида натрия $NaOH$). Оксид азота(IV) является кислотным оксидом и вступает в реакцию диспропорционирования со щелочью, образуя две соли — нитрат и нитрит натрия, которые остаются в растворе.
Уравнение реакции:
$2NO_2 + 2NaOH \rightarrow NaNO_3 + NaNO_2 + H_2O$
Азот и избыток кислорода не реагируют со щелочью и выходят из промывной склянки. Таким образом, азот очищается от примеси оксида азота(II).
Ответ: Провести окисление примеси $NO$ кислородом до $NO_2$ с последующим поглощением $NO_2$ раствором щелочи.

7.179. Как получить азот из газовой смеси, образующейся при прокаливании нитрата цинка?

Решение

Для получения азота из газовой смеси, образующейся при прокаливании нитрата цинка, необходимо выполнить два основных этапа: сначала провести термическое разложение соли для получения газовой смеси, а затем выделить из неё чистый азот с помощью химических реакций.

1. Термическое разложение нитрата цинка

Нитрат цинка ($Zn(NO_3)_2$) при сильном нагревании (прокаливании) разлагается. Цинк — металл средней активности, поэтому его нитрат разлагается по схеме: нитрат → оксид металла + диоксид азота + кислород. Уравнение реакции:

$2Zn(NO_3)_2(тв.) \xrightarrow{t^\circ} 2ZnO(тв.) + 4NO_2(г)\uparrow + O_2(г)\uparrow$

В результате этого процесса образуется твёрдый остаток — оксид цинка ($ZnO$), и газовая смесь, которая состоит из диоксида азота ($NO_2$) — газа бурого цвета с резким запахом, и кислорода ($O_2$) — бесцветного газа без запаха.

2. Выделение азота из газовой смеси

Теперь задача состоит в том, чтобы из полученной газовой смеси ($NO_2 + O_2$) получить молекулярный азот ($N_2$). Оба компонента смеси являются сильными окислителями. Для их превращения в азот можно использовать восстановитель. Один из наиболее удобных и распространённых способов — использование раскалённой меди.

Газовую смесь, полученную на первом этапе, пропускают через трубку, наполненную медными стружками или проволокой и нагретую до высокой температуры. Медь вступает в реакцию с обоими газами:

• Медь восстанавливает диоксид азота до свободного азота, а сама окисляется до оксида меди(II):

  $2Cu + 2NO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + N_2$

• Одновременно медь реагирует с кислородом, также образуя оксид меди(II):

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

В результате этих реакций оба газообразных реагента ($NO_2$ и $O_2$) превращаются в твёрдый оксид меди($II$), а в газовой фазе остаётся только чистый азот ($N_2$), который не реагирует с медью. Этот азот можно собрать на выходе из реакционной трубки.

Ответ:

Сначала необходимо провести термическое разложение нитрата цинка по реакции $2Zn(NO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} 2ZnO + 4NO_2 + O_2$, чтобы получить газовую смесь диоксида азота и кислорода. Затем эту смесь следует пропустить над раскалённой медью. Медь прореагирует с $NO_2$ и $O_2$, в результате чего останется чистый азот. Реакции очистки: $2Cu + 2NO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO + N_2$ и $2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$.