Номер 5, страница 44 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Дано:

$m_{практ.}(C_6H_5NO_2) = 61,5 \text{ г}$

$\rho(C_6H_6) = 0,9 \text{ г/мл}$

$\eta = 90\%$

Перевод в СИ:
$m_{практ.}(C_6H_5NO_2) = 61,5 \text{ г} = 0,0615 \text{ кг}$
$\rho(C_6H_6) = 0,9 \text{ г/мл} = 900 \text{ кг/м³}$

Найти:

$V(C_6H_6)$

Решение:

1. Составим уравнение реакции нитрования бензола. Реакция протекает при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты, которая является катализатором и водоотнимающим агентом.

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы бензола ($C_6H_6$) и нитробензола ($C_6H_5NO_2$), используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы (округляя до целых: C=12, H=1, N=14, O=16).

$M(C_6H_6) = 6 \cdot Ar(C) + 6 \cdot Ar(H) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78 \text{ г/моль}$

$M(C_6H_5NO_2) = 6 \cdot Ar(C) + 5 \cdot Ar(H) + Ar(N) + 2 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 72 + 5 + 14 + 32 = 123 \text{ г/моль}$

3. Масса нитробензола, полученная в ходе реакции (61,5 г), является практическим выходом ($m_{практ.}$), который составляет 90% от теоретически возможного ($m_{теор.}$). Найдем теоретическую массу нитробензола, которая получилась бы при 100% выходе реакции.

Формула для расчета выхода продукта: $\eta = \frac{m_{практ.}}{m_{теор.}}$

Выразим из формулы и рассчитаем теоретическую массу, предварительно переведя проценты в доли: $\eta = 90\% = 0,9$.

$m_{теор.}(C_6H_5NO_2) = \frac{m_{практ.}(C_6H_5NO_2)}{\eta} = \frac{61,5 \text{ г}}{0,9} \approx 68,333 \text{ г}$

4. Рассчитаем количество вещества (в молях) нитробензола, которое соответствует теоретической массе.

$n_{теор.}(C_6H_5NO_2) = \frac{m_{теор.}(C_6H_5NO_2)}{M(C_6H_5NO_2)} = \frac{68,333 \text{ г}}{123 \text{ г/моль}} \approx 0,5555 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, стехиометрическое соотношение между бензолом и нитробензолом составляет 1:1. Это означает, что для получения 1 моль нитробензола теоретически требуется 1 моль бензола.

$n(C_6H_6) = n_{теор.}(C_6H_5NO_2) \approx 0,5555 \text{ моль}$

6. Теперь найдем массу бензола, необходимую для реакции.

$m(C_6H_6) = n(C_6H_6) \cdot M(C_6H_6) = 0,5555 \text{ моль} \cdot 78 \text{ г/моль} \approx 43,333 \text{ г}$

7. Зная массу и плотность бензола, рассчитаем его объем по формуле $V = \frac{m}{\rho}$.

$V(C_6H_6) = \frac{m(C_6H_6)}{\rho(C_6H_6)} = \frac{43,333 \text{ г}}{0,9 \text{ г/мл}} \approx 48,15 \text{ мл}$

Ответ: для получения 61,5 г нитробензола потребуется 48,15 мл бензола.