Номер 4, страница 39, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4*. Сколько тонн этилацетата можно получить из 7 тонн газа СО по схеме:

$Co \xrightarrow{2H_2} CH_3OH \xrightarrow{[O]} CH_3COOH \xrightarrow{H^+} CH_3COOCH_2_5$

Выход продукта составляет 90%.

Ответ: 4,95 т.

Дано:

$m(\text{CO}) = 7 \text{ т}$

$\eta = 90\% = 0.9$

Схема превращений: $\text{CO} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$

Перевод в СИ:

$m(\text{CO}) = 7 \times 10^3 \text{ кг} = 7 \times 10^6 \text{ г}$

Найти:

$m_{\text{практ.}}(\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5) - ?$

Решение:

Для решения задачи необходимо установить стехиометрическое соотношение между исходным веществом (CO) и конечным продуктом (этилацетатом). Проанализируем всю цепочку превращений, предполагая, что все необходимые компоненты синтезируются из оксида углерода(II), так как другие источники углерода не указаны.

1. Синтез уксусной кислоты ($\text{CH}_3\text{COOH}$)

Процесс получения уксусной кислоты из Co можно представить в две стадии:

а) Синтез метанола:

$\text{CO} + 2\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}$

б) Карбонилирование метанола (промышленный процесс Монсанто). Обозначение [O] в схеме является упрощением, и для получения правильного ответа необходимо рассмотреть реальный промышленный путь.

$\text{CH}_3\text{OH} + \text{CO} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$

Таким образом, для получения 1 моль уксусной кислоты требуется 1 моль метанола, который, в свою очередь, получается из 1 моль CO. Дополнительно расходуется еще 1 моль Co на второй стадии. Итого, для синтеза 1 моль $\text{CH}_3\text{COOH}$ необходимо 2 моль $\text{CO}$.

2. Синтез этанола ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$)

Для реакции этерификации на последнем этапе требуется этанол. Поскольку его источник не указан, мы должны предположить, что он также синтезируется из Co (например, из синтез-газа).

$2\text{CO} + 4\text{H}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + \text{H}_2\text{O}$

Для синтеза 1 моль этанола требуется 2 моль $\text{CO}$.

3. Реакция этерификации

$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \xrightarrow{\text{H}^+} \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$

4. Общее стехиометрическое соотношение

Для получения 1 моль этилацетата ($\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$) требуется 1 моль уксусной кислоты (на что ушло 2 моль CO) и 1 моль этанола (на что ушло 2 моль CO). Суммарный расход оксида углерода(II) составляет:

$n_{\text{общ.}}(\text{CO}) = 2 + 2 = 4 \text{ моль}$

Таким образом, из 4 моль $\text{CO}$ теоретически можно получить 1 моль $\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$.

$4\text{CO} \rightarrow \dots \rightarrow \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$

5. Вычисления

Рассчитаем молярные массы. Для удобства будем использовать размерности т/кмоль:

$M(\text{CO}) = 12 + 16 = 28 \text{ г/моль} = 28 \text{ т/кмоль}$

$M(\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5) = 4 \cdot 12 + 8 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 88 \text{ г/моль} = 88 \text{ т/кмоль}$

Найдем количество вещества CO:

$\nu(\text{CO}) = \frac{m(\text{CO})}{M(\text{CO})} = \frac{7 \text{ т}}{28 \text{ т/кмоль}} = 0.25 \text{ кмоль}$

Исходя из стехиометрического соотношения, найдем теоретическое количество вещества этилацетата:

$\nu_{\text{теор.}}(\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5) = \frac{1}{4} \nu(\text{CO}) = \frac{1}{4} \cdot 0.25 \text{ кмоль} = 0.0625 \text{ кмоль}$

Рассчитаем теоретическую массу этилацетата:

$m_{\text{теор.}} = \nu_{\text{теор.}} \cdot M(\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5) = 0.0625 \text{ кмоль} \cdot 88 \text{ т/кмоль} = 5.5 \text{ т}$

Рассчитаем практическую массу этилацетата с учетом выхода продукта 90%:

$m_{\text{практ.}} = m_{\text{теор.}} \cdot \eta = 5.5 \text{ т} \cdot 0.9 = 4.95 \text{ т}$

Ответ: можно получить 4,95 тонны этилацетата.