Номер C, страница 167 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. В контактный аппарат направлена газовая смесь в объемном отношении 2: 5 ($N_2$ и $H_2$). Определите объемные доли газов в смеси, вышедшей из контактного аппарата в момент использования 80% азота. Как изменяется давление?

Ответ: 84,21% $NH_3$, 5,25% $H_2$, 10,5% $N_2$; давление уменьшится в 1,84 раза.

2. Газ аммиак объемом 500 мл (н.у.) пропущен через 100 мл раствора серной кислоты концентрацией 0,05 моль/л для получения сульфата аммония. Рассчитайте объемную долю поглощенного газа.

Ответ: 44,8%

1. Поскольку объемные доли газов в смеси пропорциональны их мольным долям (согласно закону Авогадро), мы можем проводить расчеты, используя объемы вместо молей.

Уравнение реакции синтеза аммиака: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

Дано:

Объемное отношение $V(N_2) : V(H_2) = 2 : 5$.

Доля прореагировавшего азота = 80% = 0.8.

Найти:

Объемные доли газов в конечной смеси: $\phi(N_2)$, $\phi(H_2)$, $\phi(NH_3)$.

Изменение давления.

Решение:

1. Примем начальный объем смеси за 7 условных единиц (например, литров), тогда начальные объемы газов составляют:

$V_{нач}(N_2) = 2$ л

$V_{нач}(H_2) = 5$ л

$V_{нач}(NH_3) = 0$ л

Общий начальный объем: $V_{общ.нач} = 2 + 5 = 7$ л.

2. По условию, в реакцию вступило 80% азота. Найдем объем прореагировавшего азота:

$V_{реаг}(N_2) = V_{нач}(N_2) \cdot 0.8 = 2 \text{ л} \cdot 0.8 = 1.6$ л.

3. По уравнению реакции $N_2 + 3H_2 \to 2NH_3$ соотношение объемов реагентов и продуктов составляет 1:3:2. Рассчитаем объемы прореагировавшего водорода и образовавшегося аммиака:

$V_{реаг}(H_2) = 3 \cdot V_{реаг}(N_2) = 3 \cdot 1.6 = 4.8$ л.

$V_{обр}(NH_3) = 2 \cdot V_{реаг}(N_2) = 2 \cdot 1.6 = 3.2$ л.

4. Определим состав газовой смеси после реакции (конечные объемы):

$V_{кон}(N_2) = V_{нач}(N_2) - V_{реаг}(N_2) = 2 - 1.6 = 0.4$ л.

$V_{кон}(H_2) = V_{нач}(H_2) - V_{реаг}(H_2) = 5 - 4.8 = 0.2$ л.

$V_{кон}(NH_3) = V_{обр}(NH_3) = 3.2$ л.

5. Найдем общий объем конечной газовой смеси:

$V_{общ.кон} = V_{кон}(N_2) + V_{кон}(H_2) + V_{кон}(NH_3) = 0.4 + 0.2 + 3.2 = 3.8$ л.

6. Рассчитаем объемные доли ($\phi$) газов в конечной смеси:

$\phi(N_2) = \frac{V_{кон}(N_2)}{V_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{0.4}{3.8} \cdot 100\% \approx 10.53\%$

$\phi(H_2) = \frac{V_{кон}(H_2)}{V_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{0.2}{3.8} \cdot 100\% \approx 5.26\%$

$\phi(NH_3) = \frac{V_{кон}(NH_3)}{V_{общ.кон}} \cdot 100\% = \frac{3.2}{3.8} \cdot 100\% \approx 84.21\%$

7. Изменение давления. Согласно закону Гей-Люссака, при постоянных объеме реактора и температуре, давление прямо пропорционально количеству вещества (числу молей), а следовательно, и общему объему газов.

Отношение конечного давления к начальному: $\frac{P_{кон}}{P_{нач}} = \frac{V_{общ.кон}}{V_{общ.нач}} = \frac{3.8}{7} \approx 0.543$

Давление уменьшилось. Чтобы найти, во сколько раз, нужно разделить начальное давление на конечное:

$\frac{P_{нач}}{P_{кон}} = \frac{V_{общ.нач}}{V_{общ.кон}} = \frac{7}{3.8} \approx 1.84$ раза.

Ответ: Объемные доли газов в смеси: 84,21% $NH_3$, 5,26% $H_2$, 10,53% $N_2$; давление уменьшится в 1,84 раза.

2. При пропускании аммиака через раствор серной кислоты происходит реакция нейтрализации с образованием соли сульфата аммония.

Уравнение реакции: $2NH_3 + H_2SO_4 \to (NH_4)_2SO_4$

Дано:

$V(NH_3)_{нач} = 500$ мл

Условия: н.у. (нормальные условия)

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = 100$ мл

$C(H_2SO_4) = 0.05$ моль/л

Перевод в СИ:

$V(NH_3)_{нач} = 0.5$ л

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = 0.1$ л

Молярный объем газа при н.у.: $V_m = 22.4$ л/моль.

Найти:

Объемную долю поглощенного газа, $\phi_{погл}(NH_3)$.

Решение:

1. Рассчитаем начальное количество вещества (моль) аммиака:

$n(NH_3)_{нач} = \frac{V(NH_3)_{нач}}{V_m} = \frac{0.5 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.02232$ моль.

2. Рассчитаем количество вещества серной кислоты в растворе:

$n(H_2SO_4) = C(H_2SO_4) \cdot V_{р-ра}(H_2SO_4) = 0.05 \text{ моль/л} \cdot 0.1 \text{ л} = 0.005$ моль.

3. Определим, какой из реагентов находится в недостатке (лимитирующий реагент). Согласно уравнению реакции, на 1 моль $H_2SO_4$ требуется 2 моль $NH_3$.

Для реакции с 0.005 моль $H_2SO_4$ потребуется:

$n(NH_3)_{требуется} = 2 \cdot n(H_2SO_4) = 2 \cdot 0.005 = 0.01$ моль.

4. Сравним требуемое количество аммиака с имеющимся:

$n(NH_3)_{требуется} = 0.01$ моль < $n(NH_3)_{нач} \approx 0.02232$ моль.

Следовательно, аммиак в избытке, а серная кислота — лимитирующий реагент. Реакция будет идти до полного расходования серной кислоты.

5. Количество поглощенного (прореагировавшего) аммиака равно количеству, которое требуется для реакции со всей серной кислотой:

$n(NH_3)_{погл} = n(NH_3)_{требуется} = 0.01$ моль.

6. Найдем объем поглощенного аммиака при н.у.:

$V(NH_3)_{погл} = n(NH_3)_{погл} \cdot V_m = 0.01 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 0.224$ л.

7. Рассчитаем объемную долю поглощенного газа. Это отношение объема поглощенного газа к его начальному объему:

$\phi_{погл}(NH_3) = \frac{V(NH_3)_{погл}}{V(NH_3)_{нач}} \cdot 100\% = \frac{0.224 \text{ л}}{0.5 \text{ л}} \cdot 100\% = 0.448 \cdot 100\% = 44.8\%$.

Ответ: 44,8%.