Номер 4, страница 16, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4*. Какая масса нитробензола получится при взаимодействии 200 г раствора азотной кислоты с массовой долей 80% и 133 мл бензола ($\rho= 0,88 \text{ г/мл}$), если выход нитробензола составляет 90%?

Ответ: 166,05 г.

Дано:

$m_{р-ра}(HNO_3) = 200 \text{ г}$

$\omega(HNO_3) = 80\% = 0.8$

$V(C_6H_6) = 133 \text{ мл}$

$\rho(C_6H_6) = 0.88 \text{ г/мл}$

$\eta = 90\% = 0.9$

Найти:

$m_{практ.}(C_6H_5NO_2) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нитрования бензола азотной кислотой. Реакция протекает в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве катализатора и водоотнимающего средства:

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

2. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчете, используя стандартные атомные массы (C=12, H=1, N=14, O=16):

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

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

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

3. Найдем массы и количества вещества исходных реагентов.

Масса чистой азотной кислоты в растворе:

$m(HNO_3) = m_{р-ра}(HNO_3) \cdot \omega(HNO_3) = 200 \text{ г} \cdot 0.80 = 160 \text{ г}$

Количество вещества азотной кислоты:

$n(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{M(HNO_3)} = \frac{160 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} \approx 2.54 \text{ моль}$

Масса бензола:

$m(C_6H_6) = V(C_6H_6) \cdot \rho(C_6H_6) = 133 \text{ мл} \cdot 0.88 \text{ г/мл} = 117.04 \text{ г}$

Количество вещества бензола:

$n(C_6H_6) = \frac{m(C_6H_6)}{M(C_6H_6)} = \frac{117.04 \text{ г}}{78 \text{ г/моль}} \approx 1.5005 \text{ моль}$

4. Определим, какой из реагентов находится в недостатке. Согласно уравнению реакции, бензол и азотная кислота реагируют в мольном соотношении 1:1.

У нас есть $1.5005$ моль бензола и $2.54$ моль азотной кислоты. Так как $1.5005 < 2.54$, бензол является лимитирующим реагентом, и дальнейший расчет будем вести по нему. Азотная кислота находится в избытке.

5. Рассчитаем теоретически возможную массу нитробензола.

По уравнению реакции из 1 моль бензола образуется 1 моль нитробензола, следовательно:

$n_{теор.}(C_6H_5NO_2) = n(C_6H_6) \approx 1.5005 \text{ моль}$

Теоретическая масса нитробензола:

$m_{теор.}(C_6H_5NO_2) = n_{теор.}(C_6H_5NO_2) \cdot M(C_6H_5NO_2) = 1.5005 \text{ моль} \cdot 123 \text{ г/моль} \approx 184.56 \text{ г}$

6. Рассчитаем практическую массу нитробензола с учетом выхода продукта 90%.

Выход продукта ($\eta$) определяется как отношение практической массы к теоретической:

$\eta = \frac{m_{практ.}}{m_{теор.}}$

$m_{практ.}(C_6H_5NO_2) = m_{теор.}(C_6H_5NO_2) \cdot \eta = 184.56 \text{ г} \cdot 0.90 = 166.104 \text{ г}$

Округлим результат до сотых.

Ответ: $166.10 \text{ г}$.