Страница 131 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

8. Вычислите массу (в граммах) раствора с массовой долей муравьиной кислоты 70 %, потребовавшегося для нейтрализации 2 кг раствора, в котором массовая доля гидроксида натрия равна 0,7. Какая соль и сколько граммов её получится?

Дано:

w(HCOOH) = 70 % = 0,7

m(раствора NaOH) = 2 кг

w(NaOH) = 0,7

Перевод в граммы:

m(раствора NaOH) = 2000 г

Найти:

m(раствора HCOOH) - ?

Название соли - ?

m(соли) - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации муравьиной кислоты (HCOOH) гидроксидом натрия (NaOH):

$HCOOH + NaOH \rightarrow HCOONa + H_2O$

Из уравнения видно, что в результате реакции образуется соль — формиат натрия.

2. Рассчитаем массу чистого гидроксида натрия, содержащегося в 2 кг 70% раствора:

$m(NaOH) = m(\text{раствора NaOH}) \times w(NaOH) = 2000 \text{ г} \times 0,7 = 1400 \text{ г}$

3. Найдем молярные массы веществ:

Молярная масса гидроксида натрия:

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

Молярная масса муравьиной кислоты:

$M(HCOOH) = 1 + 12 + 16 \times 2 + 1 = 46 \text{ г/моль}$

Молярная масса формиата натрия:

$M(HCOONa) = 1 + 12 + 16 \times 2 + 23 = 68 \text{ г/моль}$

4. Вычислим количество вещества (в молях) гидроксида натрия:

$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{1400 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 35 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, муравьиная кислота и гидроксид натрия реагируют в мольном соотношении 1:1. Следовательно, для полной нейтрализации потребуется такое же количество вещества муравьиной кислоты:

$n(HCOOH) = n(NaOH) = 35 \text{ моль}$

6. Рассчитаем массу чистой муравьиной кислоты, которая необходима для реакции:

$m(HCOOH) = n(HCOOH) \times M(HCOOH) = 35 \text{ моль} \times 46 \text{ г/моль} = 1610 \text{ г}$

7. Теперь найдем массу 70% раствора муравьиной кислоты:

$m(\text{раствора HCOOH}) = \frac{m(HCOOH)}{w(HCOOH)} = \frac{1610 \text{ г}}{0,7} = 2300 \text{ г}$

8. Рассчитаем массу образовавшейся соли. По уравнению реакции, количество вещества соли (формиата натрия) равно количеству вещества прореагировавшего гидроксида натрия:

$n(HCOONa) = n(NaOH) = 35 \text{ моль}$

Вычислим массу соли:

$m(HCOONa) = n(HCOONa) \times M(HCOONa) = 35 \text{ моль} \times 68 \text{ г/моль} = 2380 \text{ г}$

Ответ: для нейтрализации потребуется 2300 г раствора муравьиной кислоты. В результате реакции получится соль формиат натрия массой 2380 г.

9. Какой объём метана потребуется для синтеза 30 т муравьиной кислоты, если массовая доля выхода продукта реакции 90 % (н. у.)?

Дано:

$m_{практ.}(HCOOH) = 30 \text{ т}$

$\eta = 90\% = 0.9$

Условия: нормальные (н. у.)

$m_{практ.}(HCOOH) = 30 \text{ т} = 30 \times 10^6 \text{ г}$

Найти:

$V(CH_4) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи необходимо установить стехиометрическое соотношение между исходным веществом (метаном) и конечным продуктом (муравьиной кислотой). Промышленный синтез муравьиной кислоты из метана — сложный многостадийный процесс. Однако, для расчетов можно использовать суммарное уравнение реакции, например, каталитического окисления метана, которое показывает, что из одной молекулы метана образуется одна молекула муравьиной кислоты:

$2CH_4 + 3O_2 \xrightarrow{кат.} 2HCOOH + 2H_2O$

Из уравнения следует, что количества вещества метана и муравьиной кислоты равны:

$\nu(CH_4) = \nu(HCOOH)$

2. В условии дана практическая масса полученной муравьиной кислоты. Все расчеты по уравнению реакции ведутся с использованием теоретических масс и количеств. Найдем теоретическую массу муравьиной кислоты ($m_{теор.}$) исходя из того, что практический выход ($\eta$) составляет 90%:

$\eta = \frac{m_{практ.}}{m_{теор.}}$

$m_{теор.}(HCOOH) = \frac{m_{практ.}(HCOOH)}{\eta} = \frac{30 \times 10^6 \text{ г}}{0.9} \approx 33.333 \times 10^6 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярную массу муравьиной кислоты (HCOOH):

$M(HCOOH) = 1 \cdot A_r(C) + 2 \cdot A_r(H) + 2 \cdot A_r(O) = 12.01 + 2 \cdot 1.01 + 2 \cdot 16.00 = 46.03 \text{ г/моль}$

Для упрощения расчетов часто используют целочисленные атомные массы: $M(HCOOH) = 12 + 2 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$. Будем использовать это значение.

4. Вычислим теоретическое количество вещества муравьиной кислоты:

$\nu_{теор.}(HCOOH) = \frac{m_{теор.}(HCOOH)}{M(HCOOH)} = \frac{33.333 \times 10^6 \text{ г}}{46 \text{ г/моль}} \approx 724638 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, для получения этого количества кислоты потребуется такое же количество вещества метана:

$\nu(CH_4) = \nu_{теор.}(HCOOH) \approx 724638 \text{ моль}$

6. Теперь можно найти объем метана. По условию, объем нужно определить при нормальных условиях (н. у.), где молярный объем любого газа ($V_m$) равен 22.4 л/моль.

$V(CH_4) = \nu(CH_4) \times V_m = 724638 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} \approx 16231893 \text{ л}$

Переведем объем из литров в кубические метры ($1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$):

$V(CH_4) \approx \frac{16231893}{1000} \text{ м}^3 \approx 16232 \text{ м}^3$

Округлим результат до двух значащих цифр, в соответствии с точностью исходных данных (30 т и 90%):

$V(CH_4) \approx 1.6 \times 10^4 \text{ м}^3$

Ответ: для синтеза 30 т муравьиной кислоты потребуется объем метана примерно $1.6 \times 10^4 \text{ м}^3$ (н. у.).

1. Исходными веществами в химической реакции, схема которой

$... + ... \rightarrow \text{CH}_3\text{COOK} + \text{H}_2\text{O},$

являются

1) $\text{CH}_3\text{COOH}$ и $\text{K}$

2) $\text{CH}_3\text{COOH}$ и $\text{K}_2\text{CO}_3$

3) $\text{CH}_3\text{COOH}$ и $\text{KOH}$

4) $\text{CH}_3\text{COOH}$ и $\text{HCOOK}$

Решение

В представленной схеме химической реакции продуктами являются соль (ацетат калия, $CH_3COOK$) и вода ($H_2O$). Такой набор продуктов характерен для реакций нейтрализации (взаимодействие кислоты и основания), а также для реакций кислот с основными оксидами или солями слабых летучих кислот (карбонатами, сульфитами). Рассмотрим предложенные варианты исходных веществ.

1) CH₃COOH и K

Уксусная кислота ($CH_3COOH$) реагирует с активным металлом калием ($K$). В результате реакции образуется ацетат калия и выделяется водород, а не вода: $2CH_3COOH + 2K \rightarrow 2CH_3COOK + H_2 \uparrow$ Этот вариант не подходит.

2) CH₃COOH и K₂CO₃

Уксусная кислота ($CH_3COOH$) как более сильная кислота вытесняет угольную кислоту из ее соли — карбоната калия ($K_2CO_3$). При этом образуются ацетат калия, вода и углекислый газ: $2CH_3COOH + K_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COOK + H_2O + CO_2 \uparrow$ Хотя в продуктах есть соль и вода, в схеме не указано выделение углекислого газа.

3) CH₃COOH и KOH

Это классическая реакция нейтрализации между кислотой (уксусной, $CH_3COOH$) и основанием (гидроксидом калия, $KOH$). В результате образуются соль и вода, что в точности соответствует предложенной схеме: $CH_3COOH + KOH \rightarrow CH_3COOK + H_2O$ Этот вариант полностью соответствует условию.

4) CH₃COOH и HCOOK

Это реакция обмена между кислотой и солью другой кислоты. Так как уксусная кислота ($CH_3COOH$) является более сильной кислотой, чем муравьиная ($HCOOH$), она может вытеснить ее из соли (формиата калия, $HCOOK$). Однако продуктами будут ацетат калия и муравьиная кислота, а не вода: $CH_3COOH + HCOOK \rightleftharpoons CH_3COOK + HCOOH$ Этот вариант не подходит.

Таким образом, единственная пара веществ, взаимодействие которых приводит к образованию только ацетата калия и воды, — это уксусная кислота и гидроксид калия.

Ответ: 3

2. Образование сложного эфира происходит при взаимодействии уксусной кислоты

1) с $\text{HCOOH}$

2) с $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$

3) с $\text{CH}_3\text{CHO}$

4) с $(\text{C}_2\text{H}_5\text{OO})_2\text{Mg}$

Решение

Образование сложного эфира, известное как реакция этерификации, происходит при взаимодействии карбоновой кислоты со спиртом. Реакция протекает в присутствии кислотного катализатора (чаще всего концентрированной серной кислоты) и является обратимой. Общая схема реакции выглядит следующим образом:

$R-COOH \text{ (кислота)} + R'-OH \text{ (спирт)} \rightleftharpoons R-COO-R' \text{ (сложный эфир)} + H_2O \text{ (вода)}$

В задаче дана уксусная кислота ($CH_3COOH$), которая является карбоновой кислотой. Для получения сложного эфира она должна прореагировать со спиртом. Рассмотрим предложенные варианты.

1) с HCOOH

HCOOH — это муравьиная кислота. Реакция между двумя карбоновыми кислотами не приводит к образованию сложного эфира.

2) с C₂H₅OH

C₂H₅OH — это этанол (этиловый спирт). Взаимодействие уксусной кислоты со спиртом является реакцией этерификации. В данном случае образуется сложный эфир этилацетат и вода.

Уравнение реакции: $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$.

Этот вариант подходит.

3) с CH₃CHO

CH₃CHO — это ацетальдегид. Альдегиды не вступают в реакцию этерификации с карбоновыми кислотами.

4) с (C₂H₅OO)₂Mg

Это вещество, вероятнее всего, соль (например, этилат магния $(C_2H_5O)_2Mg$ или пропионат магния $(C_2H_5COO)_2Mg$). Взаимодействие уксусной кислоты с солями такого типа не является прямой реакцией этерификации и не приводит к образованию сложного эфира в качестве основного продукта.

Таким образом, для образования сложного эфира уксусная кислота должна прореагировать с этанолом.

Ответ: 2