Номер C, страница 173 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. Расставьте коэффициенты в следующих уравнениях реакций:

а) $S + HNO_3 (к) \rightarrow H_2SO_4 + NO_2\uparrow + H_2O$;

б) $P + HNO_3 (к) \rightarrow H_3PO_4 + NO_2\uparrow + H_2O$.

2. Вычислите выход оксида азота (ІІ), если при взаимодействии с медью раствора азотной кислоты, содержащего 25 г вещества, выделилось 2 л (н.у.) оксида азота (ІІ).

Ответ: 90%.

3. Определите объем газовой смеси, которая выделяется при взаимодействии концентрированной азотной кислоты с 1 кг угля, содержащего 86% углерода.

$C + HNO_3 \rightarrow NO_2 + CO_2 + H_2O$

Ответ: 8,03 $м^2$.

4. Смесь массой 70 г, состоящая из меди и оксида меди (ІІ), при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой выделяет 40 л (н.у.) газа. Определите содержание оксида меди в смеси.

Ответ: 18,4%.

1. Решение:

Для расстановки коэффициентов в данных окислительно-восстановительных реакциях используется метод электронного баланса.

а) $S + HNO_3(к) \rightarrow H_2SO_4 + NO_2\uparrow + H_2O$

Определяем степени окисления элементов, которые изменяются в ходе реакции:

$S^0 \rightarrow S^{+6}$ (сера является восстановителем, отдает 6 электронов)

$N^{+5} \rightarrow N^{+4}$ (азот является окислителем, принимает 1 электрон)

Составляем электронный баланс:

$S^0 - 6e^- \rightarrow S^{+6}$ | 1

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 6

Таким образом, на 1 атом серы требуется 6 атомов азота. Расставляем коэффициенты:

$S + 6HNO_3 \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2 + H_2O$

Уравниваем количество атомов водорода и кислорода, подбирая коэффициент для воды. Слева 6 атомов H, справа в $H_2SO_4$ уже 2. Значит, в воде должно быть $6 - 2 = 4$ атома H, что соответствует 2 молекулам $H_2O$.

Проверяем по кислороду: слева $6 \times 3 = 18$; справа $4 + 6 \times 2 + 2 = 18$. Баланс соблюден.

Итоговое уравнение: $S + 6HNO_3 \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2 + 2H_2O$

б) $P + HNO_3(к) \rightarrow H_3PO_4 + NO_2\uparrow + H_2O$

Определяем степени окисления:

$P^0 \rightarrow P^{+5}$ (фосфор является восстановителем, отдает 5 электронов)

$N^{+5} \rightarrow N^{+4}$ (азот является окислителем, принимает 1 электрон)

Составляем электронный баланс:

$P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5}$ | 1

$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$ | 5

На 1 атом фосфора требуется 5 атомов азота. Расставляем коэффициенты:

$P + 5HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

Уравниваем водород и кислород. Слева 5 атомов H, справа в $H_3PO_4$ уже 3. В воде должно быть $5 - 3 = 2$ атома H, что соответствует 1 молекуле $H_2O$.

Проверяем по кислороду: слева $5 \times 3 = 15$; справа $4 + 5 \times 2 + 1 = 15$. Баланс соблюден.

Итоговое уравнение: $P + 5HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

Ответ:

a) $S + 6HNO_3 = H_2SO_4 + 6NO_2 + 2H_2O$

б) $P + 5HNO_3 = H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$

2. Дано:

$m(HNO_3) = 25 \text{ г}$

$V_{практ}(NO) = 2 \text{ л}$ (н.у.)

Найти:

$\eta(NO) - ?$

Решение:

Реакция меди с разбавленной азотной кислотой протекает по уравнению:

$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

1. Найдем количество вещества азотной кислоты ($HNO_3$). Молярная масса $M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль}$.

$n(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{M(HNO_3)} = \frac{25 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} \approx 0.3968 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции найдем теоретическое количество вещества оксида азота (II) ($NO$), которое могло бы выделиться. Из уравнения видно, что из 8 моль $HNO_3$ образуется 2 моль $NO$. Соотношение $n(HNO_3) : n(NO) = 8 : 2 = 4 : 1$.

$n_{теор}(NO) = \frac{1}{4} n(HNO_3) = \frac{1}{4} \cdot 0.3968 \text{ моль} \approx 0.0992 \text{ моль}$

3. Рассчитаем теоретический объем оксида азота (II) при нормальных условиях (н.у.), где молярный объем газов $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$V_{теор}(NO) = n_{теор}(NO) \cdot V_m = 0.0992 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} \approx 2.222 \text{ л}$

4. Вычислим практический выход ($\eta$) продукта, который равен отношению практического объема к теоретическому.

$\eta(NO) = \frac{V_{практ}(NO)}{V_{теор}(NO)} \cdot 100\% = \frac{2 \text{ л}}{2.222 \text{ л}} \cdot 100\% \approx 89.99\% \approx 90\%$

Ответ: $90\%$.

3. Дано:

$m(\text{угля}) = 1 \text{ кг}$

$w(C) = 86\% = 0.86$

Условия: н.у.

$m(\text{угля}) = 1 \text{ кг} = 1000 \text{ г}$

Найти:

$V(\text{газовой смеси}) - ?$

Решение:

1. Запишем и сбалансируем уравнение реакции углерода с концентрированной азотной кислотой методом электронного баланса:

$C^0 + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$

В результате реакции образуется газовая смесь, состоящая из диоксида углерода ($CO_2$) и оксида азота (IV) ($NO_2$).

2. Найдем массу чистого углерода в 1 кг угля.

$m(C) = m(\text{угля}) \cdot w(C) = 1000 \text{ г} \cdot 0.86 = 860 \text{ г}$

3. Рассчитаем количество вещества углерода. Молярная масса $M(C) = 12 \text{ г/моль}$.

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{860 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 71.67 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции найдем количество вещества каждого из выделившихся газов. Соотношения по уравнению: $n(C) : n(CO_2) : n(NO_2) = 1 : 1 : 4$.

$n(CO_2) = n(C) \approx 71.67 \text{ моль}$

$n(NO_2) = 4 \cdot n(C) \approx 4 \cdot 71.67 \text{ моль} \approx 286.68 \text{ моль}$

5. Найдем общее количество вещества газов в смеси.

$n(\text{смеси}) = n(CO_2) + n(NO_2) \approx 71.67 + 286.68 = 358.35 \text{ моль}$

6. Рассчитаем объем газовой смеси при нормальных условиях ($V_m = 22.4 \text{ л/моль}$).

$V(\text{смеси}) = n(\text{смеси}) \cdot V_m \approx 358.35 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} \approx 8027 \text{ л}$

7. Переведем объем в кубические метры ($1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$).

$V(\text{смеси}) = \frac{8027 \text{ л}}{1000 \text{ л/м}^3} \approx 8.03 \text{ м}^3$

Ответ: $8.03 \text{ м}^3$.

4. Дано:

$m(\text{смеси}) = 70 \text{ г}$ (смесь Cu и CuO)

$V(\text{газа}) = 40 \text{ л}$ (н.у.)

Найти:

$w(CuO) - ?$

Решение:

При взаимодействии смеси с концентрированной азотной кислотой газ выделяется только в реакции с металлической медью. Оксид меди (II) также реагирует с кислотой, но без выделения газа.

1) $Cu + 4HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$

2) $CuO + 2HNO_3(\text{конц.}) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

Выделившийся газ — это оксид азота (IV) ($NO_2$).

1. Найдем количество вещества выделившегося газа $NO_2$ при н.у. ($V_m = 22.4 \text{ л/моль}$).

$n(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V_m} = \frac{40 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 1.7857 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции (1) определим количество вещества меди ($Cu$), которая прореагировала. Соотношение $n(Cu) : n(NO_2) = 1 : 2$.

$n(Cu) = \frac{1}{2} n(NO_2) = \frac{1}{2} \cdot 1.7857 \text{ моль} \approx 0.89285 \text{ моль}$

3. Рассчитаем массу меди в исходной смеси. Используем молярную массу $M(Cu) \approx 64 \text{ г/моль}$.

$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) \approx 0.89285 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} \approx 57.14 \text{ г}$

4. Найдем массу оксида меди (II) ($CuO$) в смеси, вычитая массу меди из общей массы смеси.

$m(CuO) = m(\text{смеси}) - m(Cu) = 70 \text{ г} - 57.14 \text{ г} = 12.86 \text{ г}$

5. Определим массовую долю (содержание) оксида меди (II) в смеси.

$w(CuO) = \frac{m(CuO)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{12.86 \text{ г}}{70 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 18.37\%$

Округляя до десятых, получаем $18.4\%$.

Ответ: $18.4\%$.