Страница 212 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.180. Какой из изображённых на рисунке приборов можно использовать для получения: а) аммиака; б) оксида азота(IV); в) оксида азота(II)?

Чтобы определить, какой прибор подходит для получения каждого из указанных газов, необходимо рассмотреть их ключевые физико-химические свойства: плотность относительно воздуха и растворимость в воде (а также химическую активность).

Средняя молярная масса воздуха принимается равной $M_{возд} \approx 29$ г/моль. Газы с меньшей молярной массой легче воздуха, а с большей — тяжелее.

Анализ приборов:

• Прибор 1: Собирание газа в перевёрнутую пробирку методом вытеснения воздуха. Этот способ (вытеснение воздуха вниз) подходит для газов, которые легче воздуха.
• Прибор 2: Собирание газа методом вытеснения воды. Этот способ подходит для газов, которые нерастворимы или малорастворимы в воде и не реагируют с ней.
• Прибор 3: Собирание газа в пробирку, расположенную отверстием вверх, методом вытеснения воздуха. Этот способ (вытеснение воздуха вверх) подходит для газов, которые тяжелее воздуха.

а) аммиака

Аммиак имеет формулу $NH_3$.
Его молярная масса: $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль.
Так как $M(NH_3) = 17$ г/моль, что меньше молярной массы воздуха ($17 < 29$), аммиак значительно легче воздуха.
Аммиак также чрезвычайно хорошо растворим в воде, поэтому его нельзя собирать методом вытеснения воды (прибор 2).
Поскольку аммиак легче воздуха, для его сбора подходит метод вытеснения воздуха вниз, который реализован в приборе 1.
Ответ: для получения аммиака можно использовать прибор, изображённый на рисунке 1.

б) оксида азота(IV)

Оксид азота(IV), или диоксид азота, имеет формулу $NO_2$.
Его молярная масса: $M(NO_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46$ г/моль.
Так как $M(NO_2) = 46$ г/моль, что больше молярной массы воздуха ($46 > 29$), диоксид азота тяжелее воздуха.
Он также реагирует с водой с образованием азотной и азотистой кислот: $2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2$. Поэтому его нельзя собирать над водой (прибор 2).
Поскольку $NO_2$ тяжелее воздуха, для его сбора подходит метод вытеснения воздуха вверх, который реализован в приборе 3.
Ответ: для получения оксида азота(IV) можно использовать прибор, изображённый на рисунке 3.

в) оксида азота(II)

Оксид азота(II), или монооксид азота, имеет формулу $NO$.
Его молярная масса: $M(NO) = 14 + 16 = 30$ г/моль.
Его молярная масса очень близка к молярной массе воздуха ($30 \approx 29$), что делает сбор вытеснением воздуха неэффективным.
Самое важное свойство $NO$ — его способность легко окисляться кислородом воздуха до бурого газа $NO_2$: $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$. Это исключает возможность его сбора в контакте с воздухом (приборы 1 и 3).
При этом оксид азота(II) плохо растворим в воде.
Следовательно, единственно верным способом его сбора из представленных является метод вытеснения воды (прибор 2), который изолирует газ от воздуха.
Ответ: для получения оксида азота(II) можно использовать прибор, изображённый на рисунке 2.

7.181. Имеется 100 ${\mathrm{м}}^3$ (н. у.) азото-водородной смеси со средней молярной массой 8,96 г/моль. Сколько килограммов жидкого аммиака можно получить, используя эту смесь, если выход реакции составляет 98%?

Дано:

$V_{смеси} = 100 \text{ м}^3$ (азото-водородная смесь)
Условия: нормальные (н. у.)
$M_{ср} = 8,96 \text{ г/моль}$ (средняя молярная масса смеси)
$\eta = 98\%$ (выход реакции)

Перевод в СИ и использование констант:

$V_{смеси} = 100 \text{ м}^3 = 100 \cdot 1000 \text{ л} = 100000 \text{ л}$
$\eta = 0,98$
Молярный объем газа при н. у. $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$
Молярная масса азота $M(N_2) \approx 28 \text{ г/моль}$
Молярная масса водорода $M(H_2) \approx 2 \text{ г/моль}$
Молярная масса аммиака $M(NH_3) \approx 17 \text{ г/моль}$

Найти:

$m(NH_3)$ - ? кг

Решение:

1. Определим мольный состав исходной газовой смеси. Пусть мольная доля азота ($N_2$) в смеси равна $x$, тогда мольная доля водорода ($H_2$) равна $(1-x)$. Средняя молярная масса смеси вычисляется по формуле: $M_{ср} = x \cdot M(N_2) + (1-x) \cdot M(H_2)$
Подставим известные значения: $8,96 = x \cdot 28 + (1-x) \cdot 2$
$8,96 = 28x + 2 - 2x$
$6,96 = 26x$
$x = \frac{6,96}{26} \approx 0,2677$
Таким образом, мольная (и объемная) доля азота $\phi(N_2) \approx 26,77\%$, а мольная доля водорода $\phi(H_2) = 1 - 0,2677 = 0,7323$ или $73,23\%$.

2. Найдем общее количество вещества (моль) газовой смеси: $n_{смеси} = \frac{V_{смеси}}{V_m} = \frac{100000 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 4464,3 \text{ моль}$

3. Рассчитаем количество вещества каждого компонента смеси, используя более точные значения долей: $n(N_2) = n_{смеси} \cdot \phi(N_2) = 4464,3 \text{ моль} \cdot 0,2677 \approx 1195,1 \text{ моль}$
$n(H_2) = n_{смеси} \cdot \phi(H_2) = 4464,3 \text{ моль} \cdot 0,7323 \approx 3269,2 \text{ моль}$

4. Запишем уравнение реакции синтеза аммиака и определим, какой из реагентов находится в недостатке (лимитирующий реагент). $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$
Согласно стехиометрии реакции, на 1 моль азота требуется 3 моль водорода. Проверим соотношение имеющихся количеств: $\frac{n(N_2)}{1} = \frac{1195,1}{1} = 1195,1$
$\frac{n(H_2)}{3} = \frac{3269,2}{3} \approx 1089,7$
Поскольку $\frac{n(H_2)}{3} < \frac{n(N_2)}{1}$, водород является лимитирующим реагентом. Дальнейший расчет продукта реакции будем вести по водороду.

5. Рассчитаем теоретически возможное количество вещества аммиака ($NH_3$): Из пропорции по уравнению реакции $\frac{n(H_2)}{3} = \frac{n_{теор}(NH_3)}{2}$ следует: $n_{теор}(NH_3) = \frac{2}{3} \cdot n(H_2) = \frac{2}{3} \cdot 3269,2 \text{ моль} \approx 2179,5 \text{ моль}$

6. Учтем практический выход реакции, чтобы найти реальное количество полученного аммиака: $n_{практ}(NH_3) = n_{теор}(NH_3) \cdot \eta = 2179,5 \text{ моль} \cdot 0,98 \approx 2135,9 \text{ моль}$

7. Найдем массу полученного аммиака и переведем ее в килограммы: $m(NH_3) = n_{практ}(NH_3) \cdot M(NH_3) = 2135,9 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} \approx 36310 \text{ г}$
$m(NH_3) = \frac{36310 \text{ г}}{1000} \approx 36,31 \text{ кг}$

Ответ: можно получить 36,31 кг жидкого аммиака.

7.182. Как можно доказать наличие в аммиаке примеси водорода, имея в распоряжении воду, стакан и сухую пробирку?

Решение

Для доказательства наличия примеси водорода в аммиаке можно использовать метод, основанный на резком различии в растворимости этих двух газов в воде. Аммиак ($NH_3$) чрезвычайно хорошо растворяется в воде, в то время как водород ($H_2$) практически нерастворим.

Порядок действий для проведения эксперимента следующий:

1. Сухую пробирку необходимо заполнить исследуемым газом (смесью аммиака с предполагаемой примесью водорода). Поскольку оба газа легче воздуха, пробирку при заполнении следует держать в перевернутом виде (дном вверх).
2. Наполнить стакан водой.
3. Отверстие пробирки, заполненной газом, плотно закрыть пальцем. Затем, не переворачивая, опустить ее отверстием в стакан с водой.
4. Находясь под водой, убрать палец с отверстия пробирки.

Наблюдения и выводы:

После открытия пробирки под водой будет наблюдаться быстрое заполнение пробирки водой. Это явление объясняется высокой растворимостью аммиака в воде, в ходе которой образуется гидрат аммиака:
$NH_3(г) + H_2O(ж) \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O(р-р)$
Из-за растворения аммиака давление внутри пробирки резко снижается, становясь значительно ниже атмосферного. Внешнее атмосферное давление "загоняет" воду внутрь пробирки.

Водород, в отличие от аммиака, в воде практически не растворяется. Поэтому, если в исходной газовой смеси присутствовал водород, он не растворится и соберется в виде газового пузыря в верхней части пробирки (у ее дна). Наличие этого нерастворившегося остатка газа и является прямым доказательством присутствия примеси водорода в аммиаке.

Ответ: Следует заполнить сухую пробирку исследуемым газом, затем, перевернув ее, опустить отверстием в стакан с водой. Аммиак растворится, и вода заполнит пробирку. Если в аммиаке есть примесь водорода, то в верхней части пробирки останется пузырек нерастворимого газа (водорода), что и докажет его наличие.

7.183. Смешали 100 г 17%-го раствора аммиака и 490 г 5%-й серной кислоты. Найдите массовые доли веществ в полученном растворе.

Дано:

$m_{р-ра}(NH_3) = 100 \text{ г}$

$\omega(NH_3) = 17\% = 0.17$

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = 490 \text{ г}$

$\omega(H_2SO_4) = 5\% = 0.05$

Найти:

$\omega_{конечн.}(веществ) - ?$

Решение:

1. При смешивании раствора аммиака (основание) и раствора серной кислоты (кислота) происходит реакция нейтрализации с образованием соли сульфата аммония. Запишем уравнение реакции:

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

2. Рассчитаем массы чистых реагентов в исходных растворах.

Масса аммиака:

$m(NH_3) = m_{р-ра}(NH_3) \cdot \omega(NH_3) = 100 \text{ г} \cdot 0.17 = 17 \text{ г}$

Масса серной кислоты:

$m(H_2SO_4) = m_{р-ра}(H_2SO_4) \cdot \omega(H_2SO_4) = 490 \text{ г} \cdot 0.05 = 24.5 \text{ г}$

3. Вычислим количество вещества (в молях) для каждого из реагентов, чтобы определить, какой из них находится в недостатке.

Молярная масса аммиака $M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$.

Количество вещества аммиака:

$n(NH_3) = \frac{m(NH_3)}{M(NH_3)} = \frac{17 \text{ г}}{17 \text{ г/моль}} = 1 \text{ моль}$

Молярная масса серной кислоты $M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$.

Количество вещества серной кислоты:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{24.5 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0.25 \text{ моль}$

4. Определим, какой реагент прореагирует полностью (находится в недостатке).

Согласно стехиометрии уравнения реакции, на 1 моль $H_2SO_4$ требуется 2 моль $NH_3$.

У нас есть 0.25 моль $H_2SO_4$. Для полной реакции с этим количеством кислоты потребуется:

$n_{требуемое}(NH_3) = 2 \cdot n(H_2SO_4) = 2 \cdot 0.25 \text{ моль} = 0.5 \text{ моль}$

Поскольку в наличии имеется 1 моль $NH_3$, а требуется только 0.5 моль, аммиак находится в избытке, а серная кислота — в недостатке. Дальнейшие расчеты ведем по веществу в недостатке, то есть по $H_2SO_4$.

5. Рассчитаем массы веществ в конечном растворе.

Вся серная кислота прореагирует. В реакцию вступит 0.5 моль аммиака. Количество аммиака в избытке:

$n_{ост}(NH_3) = 1 \text{ моль} - 0.5 \text{ моль} = 0.5 \text{ моль}$

Масса оставшегося аммиака:

$m_{ост}(NH_3) = n_{ост}(NH_3) \cdot M(NH_3) = 0.5 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} = 8.5 \text{ г}$

Количество образовавшегося сульфата аммония $(NH_4)_2SO_4$ по уравнению реакции равно количеству прореагировавшей серной кислоты:

$n((NH_4)_2SO_4) = n(H_2SO_4) = 0.25 \text{ моль}$

Молярная масса сульфата аммония $M((NH_4)_2SO_4) = (14 + 4 \cdot 1) \cdot 2 + 32 + 4 \cdot 16 = 132 \text{ г/моль}$.

Масса образовавшегося сульфата аммония:

$m((NH_4)_2SO_4) = n((NH_4)_2SO_4) \cdot M((NH_4)_2SO_4) = 0.25 \text{ моль} \cdot 132 \text{ г/моль} = 33 \text{ г}$

6. Найдем общую массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходных растворов:

$m_{конечн. р-ра} = m_{р-ра}(NH_3) + m_{р-ра}(H_2SO_4) = 100 \text{ г} + 490 \text{ г} = 590 \text{ г}$

7. Рассчитаем массовые доли веществ (избытка аммиака и продукта реакции сульфата аммония) в полученном растворе.

Массовая доля оставшегося аммиака:

$\omega_{конечн.}(NH_3) = \frac{m_{ост}(NH_3)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{8.5 \text{ г}}{590 \text{ г}} \approx 0.0144$

Массовая доля сульфата аммония:

$\omega((NH_4)_2SO_4) = \frac{m((NH_4)_2SO_4)}{m_{конечн. р-ра}} = \frac{33 \text{ г}}{590 \text{ г}} \approx 0.0559$

Переведем доли в проценты: $0.0144 \cdot 100\% = 1.44\%$; $0.0559 \cdot 100\% = 5.59\%$.

Ответ: массовая доля аммиака в полученном растворе составляет 1.44%, а массовая доля сульфата аммония — 5.59%.

7.184. В 1 л воды последовательно растворили 1 л аммиака (н. у.) и 1 л хлороводорода (н. у.). Найдите массовую долю хлорида аммония в растворе.

Дано:

$V(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ л}$
$V(\text{NH}_3) = 1 \text{ л}$ (н. у.)
$V(\text{HCl}) = 1 \text{ л}$ (н. у.)
$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$ (молярный объем газа при н. у.)
$\rho(\text{H}_2\text{O}) = 1000 \text{ г/л}$ (плотность воды)

Найти:

$\omega(\text{NH}_4\text{Cl}) - ?$

Решение:

1. При растворении в воде аммиак ($\text{NH}_3$) и хлороводород ($\text{HCl}$) вступают в реакцию нейтрализации, образуя соль — хлорид аммония ($\text{NH}_4\text{Cl}$). Запишем уравнение реакции:

$\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$

2. Найдем количество вещества (число моль) для каждого из газов. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого идеального газа составляет $V_m = 22,4$ л/моль. Количество вещества $n$ можно найти по формуле:

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

Количество вещества аммиака:

$n(\text{NH}_3) = \frac{1 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,04464 \text{ моль}$

Количество вещества хлороводорода:

$n(\text{HCl}) = \frac{1 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} \approx 0,04464 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, аммиак и хлороводород реагируют в стехиометрическом соотношении 1:1. Так как их исходные количества веществ равны, оба реагента прореагируют полностью, без остатка. Количество вещества образовавшегося хлорида аммония будет равно количеству вещества каждого из реагентов:

$n(\text{NH}_4\text{Cl}) = n(\text{NH}_3) = n(\text{HCl}) = \frac{1}{22,4} \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу образовавшегося хлорида аммония. Для этого нам понадобится его молярная масса:

$M(\text{NH}_4\text{Cl}) = M(\text{N}) + 4 \cdot M(\text{H}) + M(\text{Cl}) = 14 + 4 \cdot 1 + 35,5 = 53,5 \text{ г/моль}$

Масса хлорида аммония ($m(\text{NH}_4\text{Cl})$) вычисляется по формуле $m = n \cdot M$:

$m(\text{NH}_4\text{Cl}) = \frac{1}{22,4} \text{ моль} \cdot 53,5 \text{ г/моль} \approx 2,388 \text{ г}$

5. Далее определим массу конечного раствора. Она равна сумме масс всех компонентов: воды и растворенных газов.

Масса воды:

$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \cdot \rho(\text{H}_2\text{O}) = 1 \text{ л} \cdot 1000 \text{ г/л} = 1000 \text{ г}$

В соответствии с законом сохранения массы, суммарная масса добавленных реагентов ($\text{NH}_3$ и $\text{HCl}$) равна массе образовавшегося продукта ($\text{NH}_4\text{Cl}$). Поэтому общую массу раствора можно найти, сложив массу воды и массу образовавшейся соли:

$m_{раствора} = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{NH}_3) + m(\text{HCl}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{NH}_4\text{Cl})$

$m_{раствора} = 1000 \text{ г} + 2,388 \text{ г} = 1002,388 \text{ г}$

6. Наконец, рассчитаем массовую долю ($\omega$) хлорида аммония в растворе по формуле:

$\omega(\text{NH}_4\text{Cl}) = \frac{m(\text{NH}_4\text{Cl})}{m_{раствора}} \cdot 100\%$

$\omega(\text{NH}_4\text{Cl}) = \frac{2,388 \text{ г}}{1002,388 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,238\% \approx 0,24\%$

Ответ: массовая доля хлорида аммония в растворе составляет примерно 0,24%.

7.185. Назовите соль, которая реагирует как с соляной кислотой, так и с раствором гидроксида натрия с выделением газов, причём объёмы этих газов равны.

Найти:

Формулу и название соли, которая реагирует с соляной кислотой и с раствором гидроксида натрия с выделением равных объемов газов.

Решение:

Для решения задачи необходимо определить катион и анион соли, исходя из её химических свойств, описанных в условии.

1. Реакция с щелочью. Соль реагирует с раствором гидроксида натрия ($NaOH$) с выделением газа. Это является качественной реакцией на ион аммония ($NH_4^+$). При взаимодействии иона аммония с гидроксид-ионами ($OH^-$) выделяется газообразный аммиак ($NH_3$):

$NH_4^+ + OH^- \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Следовательно, катионом в составе искомой соли является ион аммония $NH_4^+$.

2. Реакция с кислотой. Соль реагирует с соляной кислотой ($HCl$) с выделением газа. Это означает, что анион соли должен быть кислотным остатком слабой кислоты, которая при протонировании образует летучее или нестабильное соединение, разлагающееся с выделением газа. Примерами таких анионов являются карбонат- ($CO_3^{2-}$), гидрокарбонат- ($HCO_3^-$), сульфит- ($SO_3^{2-}$), гидросульфит- ($HSO_3^-$) и другие подобные ионы.

3. Условие равенства объемов газов. Согласно закону Авогадро, при одинаковых температуре и давлении равные объемы различных газов содержат одинаковое число молей. Это означает, что из определенного количества вещества (моль) исходной соли должно образоваться одинаковое количество вещества (моль) газа как в реакции с кислотой, так и в реакции со щелочью.

Исходя из этого, проверим различные соли аммония. Искомая соль должна быть образована одним катионом аммония и одним анионом, способным выделить один моль газа при реакции с кислотой.

Рассмотрим кислую соль — гидрокарбонат аммония ($NH_4HCO_3$).

Реакция с соляной кислотой:

$NH_4HCO_3 + HCl \rightarrow NH_4Cl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Из 1 моль гидрокарбоната аммония образуется 1 моль углекислого газа ($CO_2$).

Реакция с избытком гидроксида натрия. В данном случае щелочь будет реагировать как с кислотным остатком, так и с катионом аммония:

$NH_4HCO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + NH_3 \uparrow + 2H_2O$

Из 1 моль гидрокарбоната аммония образуется 1 моль аммиака ($NH_3$).

Таким образом, при реакции одного и того же количества вещества гидрокарбоната аммония с кислотой и щелочью выделяются равные молярные количества газов ($CO_2$ и $NH_3$). Следовательно, их объемы также будут равны.

Ответ: Гидрокарбонат аммония, формула $NH_4HCO_3$.

7.186. Назовите соль, содержащую 12,2% азота, 4,3% водорода и кислород.

Для определения формулы соли найдем соотношение атомов элементов, входящих в ее состав. Предположим, что соль состоит только из азота, водорода и кислорода.

Дано:
Массовая доля азота, $w(N) = 12,2\%$
Массовая доля водорода, $w(H) = 4,3\%$

Найти:
Формулу и название соли.

Решение:
1. Найдем массовую долю кислорода в соединении. Сумма массовых долей всех элементов в веществе равна 100%.
$w(O) = 100\% - w(N) - w(H) = 100\% - 12,2\% - 4,3\% = 83,5\%$

2. Для нахождения простейшей формулы вещества представим, что у нас есть 100 г этой соли. Тогда массы элементов будут равны их массовым долям в процентах:
$m(N) = 12,2$ г
$m(H) = 4,3$ г
$m(O) = 83,5$ г

3. Найдем количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя молярные массы: $M(N) \approx 14$ г/моль, $M(H) \approx 1$ г/моль, $M(O) \approx 16$ г/моль.
$n(N) = \frac{m(N)}{M(N)} = \frac{12,2 \text{ г}}{14 \text{ г/моль}} \approx 0,871$ моль
$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{4,3 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 4,3$ моль
$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{83,5 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} \approx 5,219$ моль

4. Найдем соотношение количеств веществ элементов, разделив все значения на наименьшее из них (0,871):
$N : H : O = \frac{0,871}{0,871} : \frac{4,3}{0,871} : \frac{5,219}{0,871} = 1 : 4,93 : 5,99$

Полученные значения можно округлить до целых чисел:
$N : H : O = 1 : 5 : 6$

5. Таким образом, простейшая формула соединения — $NH_5O_6$. Однако, такая формула не соответствует ни одной известной стабильной соли. Если предположить, что катионом является ион аммония $NH_4^+$, то на долю аниона придется состав $HO_6^-$, существование которого маловероятно.

6. Вероятно, в условии задачи допущена опечатка и не указан еще один элемент. Проверим предположение, что в состав соли входит сера (S), а искомая соль — гидросульфат аммония, $NH_4HSO_4$. Это кислая соль, содержащая азот, водород, серу и кислород.
Найдем теоретические массовые доли элементов в гидросульфате аммония.
Молярная масса $M(NH_4HSO_4) = 14,01 + 5 \cdot 1,01 + 32,06 + 4 \cdot 16,00 = 115,12$ г/моль.
$w(N) = \frac{14,01}{115,12} \cdot 100\% \approx 12,17\%$
$w(H) = \frac{5 \cdot 1,01}{115,12} \cdot 100\% = \frac{5,05}{115,12} \cdot 100\% \approx 4,39\%$

7. Сравним расчетные значения с данными в условии задачи. Расчетные массовые доли азота ($12,17\%$) и водорода ($4,39\%$) практически идеально совпадают с заданными значениями ($12,2\%$ и $4,3\%$). Это подтверждает, что в условии была пропущена сера, а искомая соль — гидросульфат аммония.

Ответ: искомая соль — гидросульфат аммония (кислая соль серной кислоты и аммиака), ее формула $NH_4HSO_4$.

7.187. В 110 мл 9%-й хлороводородной кислоты (плотность 1,04 г/мл) растворили газообразный аммиак, выделившийся при полном гидролизе 2,96 г нитрида кальция. Определите массовую долю хлороводорода в полученном при этом растворе.

Дано:

$V(\text{р-ра HCl}) = 110 \text{ мл}$

$\omega(\text{HCl}) = 9\% = 0,09$

$\rho(\text{р-ра HCl}) = 1,04 \text{ г/мл}$

$m(\text{Ca}_3\text{N}_2) = 2,96 \text{ г}$

Найти:

$\omega_{\text{конечн.}}(\text{HCl}) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции полного гидролиза нитрида кальция. При этом образуется гидроксид кальция и выделяется газообразный аммиак:

$\text{Ca}_3\text{N}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 3\text{Ca(OH)}_2 + 2\text{NH}_3\uparrow$

2. Рассчитаем молярную массу нитрида кальция:

$M(\text{Ca}_3\text{N}_2) = 3 \cdot M(\text{Ca}) + 2 \cdot M(\text{N}) = 3 \cdot 40 + 2 \cdot 14 = 120 + 28 = 148 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества нитрида кальция, вступившего в реакцию:

$n(\text{Ca}_3\text{N}_2) = \frac{m(\text{Ca}_3\text{N}_2)}{M(\text{Ca}_3\text{N}_2)} = \frac{2,96 \text{ г}}{148 \text{ г/моль}} = 0,02 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции найдем количество вещества выделившегося аммиака. Согласно стехиометрическим коэффициентам, из 1 моль $\text{Ca}_3\text{N}_2$ образуется 2 моль $\text{NH}_3$:

$n(\text{NH}_3) = 2 \cdot n(\text{Ca}_3\text{N}_2) = 2 \cdot 0,02 \text{ моль} = 0,04 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу выделившегося аммиака:

$M(\text{NH}_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$

$m(\text{NH}_3) = n(\text{NH}_3) \cdot M(\text{NH}_3) = 0,04 \text{ моль} \cdot 17 \text{ г/моль} = 0,68 \text{ г}$

6. Определим массу и количество вещества хлороводорода в исходном растворе кислоты.

Масса исходного раствора хлороводородной кислоты:

$m_{\text{исх.}}(\text{р-ра HCl}) = V(\text{р-ра HCl}) \cdot \rho(\text{р-ра HCl}) = 110 \text{ мл} \cdot 1,04 \text{ г/мл} = 114,4 \text{ г}$

Масса хлороводорода в исходном растворе:

$m_{\text{исх.}}(\text{HCl}) = m_{\text{исх.}}(\text{р-ра HCl}) \cdot \omega(\text{HCl}) = 114,4 \text{ г} \cdot 0,09 = 10,296 \text{ г}$

Молярная масса хлороводорода:

$M(\text{HCl}) = 1 + 35,5 = 36,5 \text{ г/моль}$

Количество вещества хлороводорода в исходном растворе:

$n_{\text{исх.}}(\text{HCl}) = \frac{m_{\text{исх.}}(\text{HCl})}{M(\text{HCl})} = \frac{10,296 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 0,282 \text{ моль}$

7. Запишем уравнение реакции между аммиаком и хлороводородной кислотой:

$\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$

8. Определим, какое из веществ находится в избытке. Сравним количество вещества аммиака и хлороводорода:

$n(\text{NH}_3) = 0,04 \text{ моль}$

$n_{\text{исх.}}(\text{HCl}) = 0,282 \text{ моль}$

Так как вещества реагируют в соотношении 1:1, а $n(\text{NH}_3) < n_{\text{исх.}}(\text{HCl})$, аммиак является недостатком и прореагирует полностью, а хлороводородная кислота находится в избытке.

9. Рассчитаем массу и количество вещества HCl, которое прореагировало с аммиаком:

$n_{\text{прореаг.}}(\text{HCl}) = n(\text{NH}_3) = 0,04 \text{ моль}$

$m_{\text{прореаг.}}(\text{HCl}) = n_{\text{прореаг.}}(\text{HCl}) \cdot M(\text{HCl}) = 0,04 \text{ моль} \cdot 36,5 \text{ г/моль} = 1,46 \text{ г}$

10. Рассчитаем массу хлороводорода, оставшуюся в растворе после реакции:

$m_{\text{конечн.}}(\text{HCl}) = m_{\text{исх.}}(\text{HCl}) - m_{\text{прореаг.}}(\text{HCl}) = 10,296 \text{ г} - 1,46 \text{ г} = 8,836 \text{ г}$

11. Рассчитаем массу конечного раствора. Она складывается из массы исходного раствора кислоты и массы поглощенного аммиака:

$m_{\text{конечн.}}(\text{р-ра}) = m_{\text{исх.}}(\text{р-ра HCl}) + m(\text{NH}_3) = 114,4 \text{ г} + 0,68 \text{ г} = 115,08 \text{ г}$

12. Определим массовую долю хлороводорода в полученном растворе:

$\omega_{\text{конечн.}}(\text{HCl}) = \frac{m_{\text{конечн.}}(\text{HCl})}{m_{\text{конечн.}}(\text{р-ра})} = \frac{8,836 \text{ г}}{115,08 \text{ г}} \approx 0,07678$

Переведем в проценты: $0,07678 \cdot 100\% = 7,678\% \approx 7,68\%$

Ответ: массовая доля хлороводорода в полученном растворе составляет 7,68%.

7.188. Опишите изменения, которые происходят при нагревании в открытой пробирке: а) хлорида аммония; б) дихромата аммония; в) гидрофосфата аммония.

Решение

а) хлорида аммония

При нагревании в открытой пробирке хлорид аммония ($NH_4Cl$), белый кристаллический порошок, подвергается термической диссоциации — обратимому разложению. Это процесс, при котором твердое вещество превращается в газообразные продукты, которые при охлаждении снова соединяются, образуя исходное вещество.

Реакция разложения выглядит следующим образом:
$NH_4Cl(тв.) \rightleftharpoons NH_3(г.) + HCl(г.)$

При нагревании дна пробирки твердый хлорид аммония исчезает (сублимирует или возгоняется), превращаясь в смесь газов – аммиака ($NH_3$) и хлороводорода ($HCl$). Эти газы поднимаются вверх по пробирке. В более холодных верхних частях пробирки аммиак и хлороводород снова реагируют друг с другом, образуя твердый хлорид аммония в виде белого налета или дыма. Если продолжать нагревание, все вещество постепенно улетучится из открытой пробирки.

Ответ: При нагревании твердый хлорид аммония на дне пробирки исчезает, а на ее холодных стенках образуется белый налет того же вещества.

б) дихромата аммония

Нагревание дихромата аммония ($(NH_4)_2Cr_2O_7$) инициирует бурную экзотермическую реакцию необратимого разложения, известную как «химический вулкан». Это внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция. Атом азота в ионе аммония ($N^{-3}$) окисляется, а атом хрома в дихромат-ионе ($Cr^{+6}$) восстанавливается.

Уравнение реакции:
$(NH_4)_2Cr_2O_7(тв.) \xrightarrow{t} N_2(г.) + Cr_2O_3(тв.) + 4H_2O(г.)$

В ходе реакции оранжевые кристаллы дихромата аммония разлагаются с выделением большого количества тепла, искр и газа. Образуется большой объем рыхлого, легкого порошка оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$) зеленого цвета. Также выделяются газообразный азот ($N_2$) и водяной пар ($H_2O$). Реакция самоподдерживается после начального нагревания.

Ответ: Оранжевые кристаллы бурно разлагаются с образованием большого объема рыхлого порошка зеленого цвета (оксида хрома(III)) и выделением газа (азота и паров воды).

в) гидрофосфата аммония

Гидрофосфат аммония (или диаммонийфосфат, $(NH_4)_2HPO_4$) при нагревании разлагается ступенчато. Это соль, образованная слабым основанием (аммиаком) и нелетучей кислотой средней силы (фосфорной кислотой).

Сначала при умеренном нагревании (около 155 °C) вещество теряет одну молекулу аммиака, превращаясь в дигидрофосфат аммония ($NH_4H_2PO_4$):
$(NH_4)_2HPO_4(тв.) \xrightarrow{t} NH_4H_2PO_4(тв.) + NH_3(г.)$

При дальнейшем нагревании дигидрофосфат аммония плавится (около 190 °C) и разлагается с выделением еще одной молекулы аммиака и воды. В результате образуются полимерные фосфорные кислоты, например, метафосфорная кислота ($HPO_3$):
$nNH_4H_2PO_4(тв.) \xrightarrow{t} (HPO_3)_n(ж./тв.) + nNH_3(г.) + nH_2O(г.)$

Таким образом, при нагревании гидрофосфата аммония наблюдается выделение газа с резким запахом аммиака. В пробирке остается вязкая жидкость, которая при охлаждении застывает в стекловидную массу (смесь полифосфорных кислот).

Ответ: При нагревании вещество плавится, выделяется газ с резким запахом аммиака, а в пробирке остается вязкий расплав, который при охлаждении образует прозрачную стекловидную массу.

7.189. Какие реагенты можно использовать для осушения аммиака?

Решение

Основной принцип выбора осушителя заключается в том, что он должен эффективно поглощать воду и не вступать в химическое взаимодействие с осушаемым веществом. Аммиак ($NH_3$) является газом с выраженными основными свойствами, поэтому для его осушения необходимо выбирать вещества, которые не будут с ним реагировать.

Рассмотрим, почему некоторые распространенные осушители не подходят для осушения аммиака:

• Кислотные осушители. Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) и фосфорный ангидрид ($P_2O_5$) являются веществами кислотного характера. Они вступают в реакцию нейтрализации с аммиаком, который является основанием, образуя соли:
  $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$ (сульфат аммония)
  $6NH_3 + P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2(NH_4)_3PO_4$ (фосфат аммония)
  Поэтому их использование недопустимо.
• Хлорид кальция ($CaCl_2$). Несмотря на то что это соль, безводный хлорид кальция реагирует с аммиаком, образуя комплексное соединение — аммиакат хлорида кальция. В результате происходит не осушение, а связывание аммиака.
  $CaCl_2 + 8NH_3 \rightarrow [Ca(NH_3)_8]Cl_2$
  Поэтому хлорид кальция также не подходит.

Для осушения аммиака можно использовать осушители основного или нейтрального (не реагирующего) характера:

• Основные оксиды. Оксид кальция ($CaO$, негашеная известь) и оксид бария ($BaO$) являются основными оксидами. Они не реагируют с аммиаком, но эффективно поглощают воду. Оксид кальция является одним из наиболее часто используемых реагентов для этой цели.
  $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$
• Твердые щелочи. Гранулированные гидроксид калия ($KOH$) и гидроксид натрия ($NaOH$) являются сильными основаниями и прекрасными осушителями. Они не реагируют с аммиаком и эффективно поглощают влагу.

Ответ: для осушения аммиака можно использовать твердые щелочи (например, $KOH$, $NaOH$), основные оксиды (например, $CaO$, $BaO$).

7.190. Аммиак, полученный разложением 428 г хлорида аммония, растворили в воде. Получили 1 л раствора. Найдите молярную концентрацию аммиака в этом растворе.

Дано:

масса хлорида аммония $m(NH_4Cl) = 428$ г
объем раствора $V(\text{раствора}) = 1$ л

Перевод в систему СИ:

$m(NH_4Cl) = 0.428$ кг
$V(\text{раствора}) = 0.001$ м³

Найти:

молярную концентрацию аммиака $C_M(NH_3)$ - ?

Решение:

Сначала запишем уравнение реакции термического разложения хлорида аммония. При нагревании хлорид аммония разлагается на газообразные аммиак и хлороводород:

$NH_4Cl \xrightarrow{t\degree} NH_3 \uparrow + HCl \uparrow$

Далее рассчитаем молярную массу хлорида аммония ($NH_4Cl$), используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы:

$M(NH_4Cl) = Ar(N) + 4 \cdot Ar(H) + Ar(Cl) = 14 + 4 \cdot 1 + 35.5 = 53.5$ г/моль.

Теперь найдем количество вещества (число молей) хлорида аммония, которое было разложено, по формуле $n = m/M$:

$n(NH_4Cl) = \frac{m(NH_4Cl)}{M(NH_4Cl)} = \frac{428 \text{ г}}{53.5 \text{ г/моль}} = 8$ моль.

Согласно уравнению реакции, из 1 моль хлорида аммония образуется 1 моль аммиака. Следовательно, их количества вещества соотносятся как 1:1. Таким образом, количество вещества полученного аммиака равно количеству вещества разложившегося хлорида аммония:

$n(NH_3) = n(NH_4Cl) = 8$ моль.

По условию задачи, весь полученный аммиак растворили в воде, и объем полученного раствора составил 1 л. Молярная концентрация ($C_M$) вещества в растворе вычисляется как отношение количества вещества к объему раствора:

$C_M(NH_3) = \frac{n(NH_3)}{V(\text{раствора})}$

Подставим известные значения в формулу:

$C_M(NH_3) = \frac{8 \text{ моль}}{1 \text{ л}} = 8$ моль/л.

Ответ: молярная концентрация аммиака в этом растворе составляет 8 моль/л.