Номер C, страница 255 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. Какой объем (н.у.) этилена образуется из 4,6 г этилового спирта при 90%-м выходе продукта?

Ответ: $V(\text{C}_2\text{H}_4) = 2,016 \text{ л}.$

2. Определите состав смеси (%), если при взаимодействии 22 г смеси метанола и этанола с натрием выделилось 6,72 л (н.у.) водорода.

Ответ: $w (\text{CH}_3\text{OH}) = 51,18\%$, $w (\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 41,82\%$.

3. Определите выход продукта реакции, если при дегидратации 20 г этилового спирта образовалось 12,87 г диэтилового эфира.

Ответ: $\eta ((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = 80\%$.

4. Рассчитайте выход метилового спирта, если при взаимодействии $2 \text{ м}^3 \text{ СО (н.у.)}$ с $5 \text{ м}^3 \text{ (н.у.) } \text{Н}_2$ образовалось 2,04 кг метанола.

Ответ: $\eta (\text{CH}_3\text{OH}) = 71,4\%$.

1. Дано:

$m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 4,6 \text{ г}$

$\eta = 90\% = 0,9$

Найти:

$V(\text{C}_2\text{H}_4) - ?$

Решение:

Запишем уравнение реакции внутримолекулярной дегидратации этилового спирта:

$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \xrightarrow{t, \text{kat.}} \text{C}_2\text{H}_4 \uparrow + \text{H}_2\text{O}$

Найдем молярную массу этилового спирта:

$M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46 \text{ г/моль}$

Рассчитаем количество вещества этилового спирта:

$n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})}{M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})} = \frac{4,6 \text{ г}}{46 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

По уравнению реакции из 1 моль спирта образуется 1 моль этилена. Следовательно, теоретическое количество вещества этилена равно количеству вещества спирта:

$n_{\text{теор}}(\text{C}_2\text{H}_4) = n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 0,1 \text{ моль}$

С учетом 90%-го выхода, практическое количество вещества этилена составит:

$n_{\text{практ}}(\text{C}_2\text{H}_4) = n_{\text{теор}}(\text{C}_2\text{H}_4) \cdot \eta = 0,1 \text{ моль} \cdot 0,9 = 0,09 \text{ моль}$

Объем этилена при нормальных условиях (н.у.) найдем, используя молярный объем газов ($V_m = 22,4$ л/моль):

$V(\text{C}_2\text{H}_4) = n_{\text{практ}}(\text{C}_2\text{H}_4) \cdot V_m = 0,09 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 2,016 \text{ л}$

Ответ: $V(\text{C}_2\text{H}_4) = 2,016 \text{ л}$.

2. Дано:

$m(\text{смеси}) = 22 \text{ г}$

$V(\text{H}_2) = 6,72 \text{ л (н.у.)}$

Найти:

$\omega(\text{CH}_3\text{OH}) - ?$

$\omega(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) - ?$

Решение:

Запишем уравнения реакций метанола и этанола с натрием:

$2\text{CH}_3\text{OH} + 2\text{Na} \rightarrow 2\text{CH}_3\text{ONa} + \text{H}_2 \uparrow$

$2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{Na} \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2 \uparrow$

Найдем общее количество вещества выделившегося водорода:

$n(\text{H}_2) = \frac{V(\text{H}_2)}{V_m} = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

Пусть в смеси было $x$ моль метанола и $y$ моль этанола.

Из уравнений реакций видно, что количество вещества водорода в два раза меньше количества вещества каждого спирта:

$n(\text{H}_2 \text{ из } \text{CH}_3\text{OH}) = \frac{1}{2} n(\text{CH}_3\text{OH}) = 0,5x$

$n(\text{H}_2 \text{ из } \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{1}{2} n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 0,5y$

Суммарное количество вещества водорода: $0,5x + 0,5y = 0,3$, откуда $x + y = 0,6$. (1)

Найдем молярные массы спиртов:

$M(\text{CH}_3\text{OH}) = 12 + 4 \cdot 1 + 16 = 32 \text{ г/моль}$

$M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46 \text{ г/моль}$

Масса смеси равна сумме масс компонентов:

$m(\text{смеси}) = m(\text{CH}_3\text{OH}) + m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})$

$22 = x \cdot M(\text{CH}_3\text{OH}) + y \cdot M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})$

$22 = 32x + 46y$. (2)

Получили систему из двух уравнений:

$\begin{cases} x + y = 0,6 \\ 32x + 46y = 22 \end{cases}$

Из первого уравнения выразим $x = 0,6 - y$ и подставим во второе:

$32(0,6 - y) + 46y = 22$

$19,2 - 32y + 46y = 22$

$14y = 2,8$

$y = 0,2 \text{ моль}$ (количество этанола)

Тогда $x = 0,6 - 0,2 = 0,4 \text{ моль}$ (количество метанола).

Найдем массы спиртов в смеси:

$m(\text{CH}_3\text{OH}) = n(\text{CH}_3\text{OH}) \cdot M(\text{CH}_3\text{OH}) = 0,4 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 12,8 \text{ г}$

$m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) \cdot M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 0,2 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} = 9,2 \text{ г}$

Рассчитаем массовые доли (%) спиртов в смеси:

$\omega(\text{CH}_3\text{OH}) = \frac{m(\text{CH}_3\text{OH})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{12,8 \text{ г}}{22 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 58,18\%$

$\omega(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{9,2 \text{ г}}{22 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 41,82\%$

Ответ: $\omega(\text{CH}_3\text{OH}) = 58,18\%$, $\omega(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 41,82\%$.

3. Дано:

$m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 20 \text{ г}$

$m_{\text{практ}}((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = 12,87 \text{ г}$

Найти:

$\eta((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) - ?$

Решение:

Запишем уравнение реакции межмолекулярной дегидратации этилового спирта с образованием диэтилового эфира:

$2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \xrightarrow{140^\circ\text{C}, \text{H}_2\text{SO}_4} (\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$

Рассчитаем молярные массы реагента и продукта:

$M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = 46 \text{ г/моль}$

$M((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = 4 \cdot 12 + 10 \cdot 1 + 16 = 74 \text{ г/моль}$

Найдем количество вещества исходного этилового спирта:

$n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{m(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})}{M(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH})} = \frac{20 \text{ г}}{46 \text{ г/моль}} \approx 0,4348 \text{ моль}$

По уравнению реакции из 2 моль спирта образуется 1 моль эфира, следовательно:

$n_{\text{теор}}((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = \frac{1}{2} n(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}) = \frac{1}{2} \cdot \frac{20}{46} \text{ моль} = \frac{10}{46} \text{ моль} \approx 0,2174 \text{ моль}$

Рассчитаем теоретически возможную массу диэтилового эфира:

$m_{\text{теор}}((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = n_{\text{теор}}((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) \cdot M((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = \frac{10}{46} \text{ моль} \cdot 74 \text{ г/моль} \approx 16,087 \text{ г}$

Практическая масса эфира дана в условии и составляет 12,87 г.

Выход продукта реакции ($\eta$) равен отношению практической массы к теоретической:

$\eta = \frac{m_{\text{практ}}}{m_{\text{теор}}} \cdot 100\% = \frac{12,87 \text{ г}}{16,087 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 80\%$

Ответ: $\eta((\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}) = 80\%$.

4. Дано:

$V(\text{CO}) = 2 \text{ м}^3 \text{ (н.у.)}$

$V(\text{H}_2) = 5 \text{ м}^3 \text{ (н.у.)}$

$m_{\text{практ}}(\text{CH}_3\text{OH}) = 2,04 \text{ кг}$

Перевод в СИ:

$V(\text{CO}) = 2 \text{ м}^3$

$V(\text{H}_2) = 5 \text{ м}^3$

$m_{\text{практ}}(\text{CH}_3\text{OH}) = 2040 \text{ г}$

Найти:

$\eta(\text{CH}_3\text{OH}) - ?$

Решение:

Запишем уравнение реакции синтеза метанола:

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

Определим, какой из реагентов находится в недостатке. Согласно стехиометрии, объемы CO и H₂ должны соотноситься как 1:2.

На $2 \text{ м}^3$ CO требуется $2 \cdot 2 = 4 \text{ м}^3$ H₂.

В условии дано $5 \text{ м}^3$ H₂, следовательно, водород находится в избытке, а угарный газ (CO) — в недостатке. Расчет теоретического выхода продукта ведем по недостатку, то есть по CO.

Найдем количество вещества угарного газа, используя молярный объем газов при н.у. ($V_m = 22,4 \text{ л/моль} = 0,0224 \text{ м}^3\text{/моль}$):

$n(\text{CO}) = \frac{V(\text{CO})}{V_m} = \frac{2 \text{ м}^3}{0,0224 \text{ м}^3\text{/моль}} \approx 89,286 \text{ моль}$

По уравнению реакции из 1 моль CO образуется 1 моль CH₃OH. Значит, теоретически возможное количество вещества метанола равно количеству вещества CO:

$n_{\text{теор}}(\text{CH}_3\text{OH}) = n(\text{CO}) \approx 89,286 \text{ моль}$

Рассчитаем теоретическую массу метанола. Молярная масса метанола $M(\text{CH}_3\text{OH}) = 32 \text{ г/моль}$.

$m_{\text{теор}}(\text{CH}_3\text{OH}) = n_{\text{теор}}(\text{CH}_3\text{OH}) \cdot M(\text{CH}_3\text{OH}) \approx 89,286 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} \approx 2857,14 \text{ г}$

Практическая масса метанола по условию равна 2,04 кг или 2040 г.

Рассчитаем выход продукта:

$\eta = \frac{m_{\text{практ}}}{m_{\text{теор}}} \cdot 100\% = \frac{2040 \text{ г}}{2857,14 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 71,4\%$

Ответ: $\eta(\text{CH}_3\text{OH}) = 71,4\%$.