Номер 3, страница 16, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Какую массу нитробензола можно получить из 30 г раствора азотной кислоты с массовой долей 90% и бензола, который был получен из 13,44л ацетилена (н. у.)?

Ответ: 24,6 г.

Дано:

$m_{р-ра}(HNO_3) = 30 \text{ г}$

$\omega(HNO_3) = 90\% = 0.9$

$V(C_2H_2) = 13.44 \text{ л}$ (н. у.)

Найти:

$m(C_6H_5NO_2) - ?$

Решение:

Задача решается в несколько этапов: сначала находим количество вещества бензола, полученного из ацетилена, затем находим количество вещества азотной кислоты, определяем лимитирующий реагент в реакции нитрования и, наконец, вычисляем массу продукта реакции – нитробензола.

1. Составим уравнение реакции получения бензола из ацетилена (реакция тримеризации, реакция Зелинского):

$3C_2H_2 \xrightarrow{t, C_{акт.}} C_6H_6$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) ацетилена. Поскольку объем дан для нормальных условий (н. у.), используем молярный объем газов $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$:

$n(C_2H_2) = \frac{V(C_2H_2)}{V_m} = \frac{13.44 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.6 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции (1) определим количество вещества бензола, которое образовалось из 0,6 моль ацетилена. Соотношение ацетилена и бензола в реакции 3:1.

$n(C_6H_6) = \frac{1}{3} n(C_2H_2) = \frac{1}{3} \times 0.6 \text{ моль} = 0.2 \text{ моль}$

4. Далее происходит реакция нитрования полученного бензола азотной кислотой. Уравнение реакции:

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

5. Рассчитаем массу чистой азотной кислоты в исходном растворе:

$m(HNO_3) = m_{р-ра}(HNO_3) \times \omega(HNO_3) = 30 \text{ г} \times 0.9 = 27 \text{ г}$

6. Найдем количество вещества азотной кислоты. Молярная масса азотной кислоты:

$M(HNO_3) = 1 \times 1 + 14 \times 1 + 16 \times 3 = 63 \text{ г/моль}$

Количество вещества азотной кислоты:

$n(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{M(HNO_3)} = \frac{27 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} \approx 0.4286 \text{ моль}$

7. Определим, какой из реагентов (бензол или азотная кислота) находится в недостатке, чтобы рассчитать по нему выход продукта. Из уравнения реакции (2) видно, что бензол и азотная кислота реагируют в соотношении 1:1. У нас есть:

$n(C_6H_6) = 0.2 \text{ моль}$

$n(HNO_3) \approx 0.4286 \text{ моль}$

Поскольку $0.2 < 0.4286$, бензол является лимитирующим реагентом, и он прореагирует полностью. Азотная кислота находится в избытке. Расчет продукта ведется по реагенту в недостатке, то есть по бензолу.

8. По уравнению реакции (2) количество вещества полученного нитробензола равно количеству вещества прореагировавшего бензола:

$n(C_6H_5NO_2) = n(C_6H_6) = 0.2 \text{ моль}$

9. Наконец, рассчитаем массу нитробензола. Молярная масса нитробензола:

$M(C_6H_5NO_2) = 6 \times 12 + 5 \times 1 + 1 \times 14 + 2 \times 16 = 72 + 5 + 14 + 32 = 123 \text{ г/моль}$

Масса нитробензола:

$m(C_6H_5NO_2) = n(C_6H_5NO_2) \times M(C_6H_5NO_2) = 0.2 \text{ моль} \times 123 \text{ г/моль} = 24.6 \text{ г}$

Ответ: можно получить 24,6 г нитробензола.