Страница 155 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Как можно получить азотную кислоту в лаборатории?

Азотную кислоту ($HNO_3$) в лабораторных условиях получают путем взаимодействия концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) с твердыми нитратами, такими как нитрат натрия ($NaNO_3$) или нитрат калия ($KNO_3$). Этот метод основан на том, что серная кислота является нелетучей и вытесняет более летучую азотную кислоту из ее солей при нагревании.

Для проведения синтеза в стеклянную реторту или колбу Вюрца помещают твердый нитрат и осторожно приливают концентрированную серную кислоту. Смесь аккуратно нагревают. Пары образующейся азотной кислоты (температура кипения $ \approx 83 \text{°C}$) отводятся из реакционной зоны и конденсируются в охлаждаемом приемнике.

Уравнение реакции для нитрата натрия выглядит следующим образом:

$NaNO_3(\text{тв.}) + H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HNO_3\uparrow$

Аналогично для нитрата калия:

$KNO_3(\text{тв.}) + H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3\uparrow$

В ходе реакции образуется гидросульфат соответствующего металла. Важно контролировать температуру, так как при сильном нагревании азотная кислота разлагается с образованием бурого газа — диоксида азота ($NO_2$), который загрязняет продукт:

$4HNO_3 \xrightarrow{t} 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow + 2H_2O$

Ответ: В лаборатории азотную кислоту можно получить реакцией твердого нитрата (например, $NaNO_3$) с концентрированной серной кислотой при слабом нагревании, с последующей отгонкой и конденсацией паров азотной кислоты. Уравнение реакции: $NaNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HNO_3$.

6. Какую массу меди требуется взять для получения 5,6 л (н. у.) оксида азота(IV)?

Дано:

$V(NO_2) = 5,6$ л

Условия: н. у. (нормальные условия)

Перевод в систему СИ:

$V(NO_2) = 5,6 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

$m(Cu)$ - ?

Решение:

Для решения задачи необходимо составить уравнение реакции получения оксида азота(IV) ($NO_2$) из меди ($Cu$). Данный продукт образуется при взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой ($HNO_3$).

1. Составим и уравняем уравнение химической реакции:

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

2. Найдём количество вещества оксида азота(IV), объём которого дан в условии. Так как объём измерен при нормальных условиях (н. у.), используем молярный объём газа $V_m = 22,4$ л/моль.

Количество вещества $n$ вычисляется по формуле:

$n(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V_m}$

Подставим числовые значения:

$n(NO_2) = \frac{5,6 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,25 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдём количество вещества меди ($Cu$), которое необходимо для получения 0,25 моль $NO_2$. Из стехиометрических коэффициентов уравнения следует, что из 1 моль меди образуется 2 моль оксида азота(IV).

Составим соотношение на основе коэффициентов:

$\frac{n(Cu)}{1} = \frac{n(NO_2)}{2}$

Следовательно, количество вещества меди в два раза меньше количества вещества оксида азота(IV):

$n(Cu) = \frac{n(NO_2)}{2} = \frac{0,25 \text{ моль}}{2} = 0,125 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу меди, зная её количество вещества и молярную массу. Молярная масса меди $M(Cu) \approx 64$ г/моль.

Масса $m$ вычисляется по формуле:

$m = n \cdot M$

$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = 0,125 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 8 \text{ г}$

Ответ: для получения 5,6 л оксида азота(IV) потребуется 8 г меди.

7. Сколько килограммов нитрата натрия требуется для приготовления 2 кг 63%-го раствора азотной кислоты?

Дано:

$m_{р-ра(HNO_3)} = 2 \text{ кг}$

$\omega(HNO_3) = 63\% = 0.63$

Найти:

$m(NaNO_3) - ?$

Решение:

Для решения задачи сначала запишем уравнение реакции получения азотной кислоты из нитрата натрия. В лабораторных и промышленных условиях азотную кислоту получают действием концентрированной серной кислоты на нитрат натрия (чилийскую селитру) при нагревании:

$NaNO_3 + H_2SO_4 \text{ (конц.)} \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

1. Найдем массу чистой азотной кислоты ($HNO_3$), содержащейся в 2 кг 63%-го раствора, используя формулу массовой доли:

$m(вещества) = m(раствора) \times \omega(вещества)$

$m(HNO_3) = 2 \text{ кг} \times 0.63 = 1.26 \text{ кг}$

2. Рассчитаем молярные массы азотной кислоты ($HNO_3$) и нитрата натрия ($NaNO_3$), используя относительные атомные массы из периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева (округляем до целых):

$M(HNO_3) = Ar(H) + Ar(N) + 3 \times Ar(O) = 1 + 14 + 3 \times 16 = 63 \text{ г/моль}$

$M(NaNO_3) = Ar(Na) + Ar(N) + 3 \times Ar(O) = 23 + 14 + 3 \times 16 = 85 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (число молей) полученной азотной кислоты. Для удобства расчетов переведем массу $HNO_3$ из килограммов в граммы:

$m(HNO_3) = 1.26 \text{ кг} = 1260 \text{ г}$

Теперь вычислим количество вещества по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(HNO_3) = \frac{1260 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} = 20 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, для получения 1 моль $HNO_3$ требуется 1 моль $NaNO_3$. Стехиометрические коэффициенты перед ними равны 1, следовательно, их количества вещества соотносятся как 1:1.

$\frac{n(NaNO_3)}{1} = \frac{n(HNO_3)}{1}$

$n(NaNO_3) = n(HNO_3) = 20 \text{ моль}$

5. Зная количество вещества нитрата натрия, найдем его массу по формуле $m = n \times M$:

$m(NaNO_3) = 20 \text{ моль} \times 85 \text{ г/моль} = 1700 \text{ г}$

6. Переведем полученную массу в килограммы, так как в вопросе требуется указать ответ в килограммах:

$m(NaNO_3) = 1700 \text{ г} = 1.7 \text{ кг}$

Ответ: для приготовления 2 кг 63%-го раствора азотной кислоты потребуется 1.7 кг нитрата натрия.

8. На каком свойстве селитры основано использование пороха?

Использование пороха основано на свойстве селитры (нитрата калия, $KNO_3$) быть сильным окислителем. Порох представляет собой смесь селитры (окислитель), угля (горючее) и серы (горючее, также снижает температуру воспламенения).

Ключевым свойством селитры является ее способность при нагревании разлагаться с выделением большого количества кислорода. Этот кислород необходим для быстрого сгорания (окисления) угля и серы. Поскольку окислитель уже содержится в смеси, горение пороха не требует доступа кислорода из воздуха и может происходить в замкнутом пространстве (например, в стволе оружия).

Реакция горения черного (дымного) пороха является экзотермической и протекает с очень высокой скоростью (дефлаграция). В результате образуется большой объем раскаленных газообразных продуктов (в основном, диоксид углерода $CO_2$ и азот $N_2$), которые, резко расширяясь, создают высокое давление. Именно это давление и используется для метания снарядов.

Упрощенное уравнение реакции можно записать так:

$2KNO_3(тв) + S(тв) + 3C(тв) \rightarrow K_2S(тв) + N_2(г)\uparrow + 3CO_2(г)\uparrow$

Таким образом, именно способность селитры легко отдавать кислород для окисления горючих веществ лежит в основе ее применения в порохе.

Ответ: Использование пороха основано на свойстве селитры быть сильным окислителем и при нагревании выделять кислород, необходимый для быстрого сгорания горючих компонентов смеси.

9. Сульфат аммония наряду с аммиачной селитрой является важным азотным удобрением. Предложите метод его получения из азота.

Дано:

Исходное вещество для получения азотной составляющей удобрения - азот ($N_2$).

Найти:

Метод получения сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$).

Решение:

Для получения сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$) необходимы аммиак ($NH_3$) и серная кислота ($H_2SO_4$). Процесс получения целевого продукта из азота можно представить в виде последовательности химических превращений.

1. Получение аммиака ($NH_3$) из азота

Аммиак в промышленности получают каталитическим синтезом из азота и водорода. Этот процесс известен как процесс Габера-Боша. Азот берут из воздуха, а водород получают, например, паровой конверсией метана.

Реакция синтеза аммиака является обратимой и экзотермической. Для смещения химического равновесия в сторону образования продукта, согласно принципу Ле Шателье, процесс ведут при высоком давлении, повышенной температуре и в присутствии катализатора (пористое железо).

Уравнение реакции:

$N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

Промышленные условия: температура 400–500 °C, давление 15–35 МПа, катализатор.

2. Получение серной кислоты ($H_2SO_4$)

Серную кислоту получают так называемым контактным способом. Исходным сырьем для ее производства служит сера ($S$) или сульфид железа(II) (пирит $FeS_2$). Рассмотрим получение из серы.

Стадия а: Получение оксида серы(IV) ($SO_2$).

Серу сжигают в печах в токе осушенного воздуха (кислорода):

$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

Стадия б: Каталитическое окисление $SO_2$ до $SO_3$.

Это ключевая, лимитирующая стадия всего процесса. Оксид серы(IV) окисляют кислородом воздуха на катализаторе при повышенной температуре. Реакция обратимая и экзотермическая.

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

Условия: температура 450-500 °C, катализатор – оксид ванадия(V) ($V_2O_5$).

Стадия в: Получение серной кислоты.

Оксид серы(VI) ($SO_3$) поглощают не водой, а концентрированной серной кислотой (98%) с образованием олеума ($H_2S_2O_7$). Это делается для предотвращения образования тумана серной кислоты, который возникает при прямой реакции $SO_3$ с водой. Затем олеум разбавляют водой до получения серной кислоты нужной концентрации.

$SO_3 + H_2SO_4 (конц.) \rightarrow H_2S_2O_7$

$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

3. Получение сульфата аммония ($(NH_4)_2SO_4$)

На заключительном этапе проводят реакцию нейтрализации между полученными на предыдущих стадиях аммиаком (который проявляет основные свойства) и серной кислотой.

Для этого газообразный аммиак пропускают через раствор серной кислоты:

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

В результате реакции образуется раствор соли, из которого затем выпариванием воды выделяют кристаллический сульфат аммония.

Ответ:

Метод получения сульфата аммония из азота представляет собой многостадийный синтез:

1. Получение аммиака синтезом из азота и водорода (процесс Габера-Боша): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$.

2. Получение серной кислоты контактным способом, включающим сжигание серы до $SO_2$, каталитическое окисление $SO_2$ до $SO_3$ и последующее получение кислоты из $SO_3$.

3. Реакция нейтрализации полученного аммиака серной кислотой: $2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$.

10. Как реагирует разбавленная азотная кислота с медью, оксидом меди(II), карбонатом натрия, аммиаком? Напишите уравнения реакций.

Азотная кислота ($HNO_3$) — это сильная одноосновная кислота, а также сильный окислитель. Её взаимодействие с различными веществами зависит от их химической природы и от концентрации самой кислоты. Рассмотрим реакции разбавленной азотной кислоты с перечисленными веществами.

с медью

Разбавленная азотная кислота реагирует с медью, которая является металлом, стоящим в ряду активности правее водорода. В отличие от большинства кислот, азотная кислота окисляет медь, при этом сама восстанавливается не до водорода, а до оксида азота(II) ($NO$). В результате реакции образуются нитрат меди(II), оксид азота(II) и вода. Оксид азота(II) — бесцветный газ, который на воздухе быстро окисляется до бурого газа — оксида азота(IV) ($NO_2$).

Уравнение реакции:

$3Cu + 8HNO_{3 \text{(разб.)}} \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

Ответ: $3Cu + 8HNO_{3 \text{(разб.)}} \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

с оксидом меди(II)

Оксид меди(II) ($CuO$) является основным оксидом. Он реагирует с азотной кислотой по типу реакции обмена (нейтрализации), вступая в реакцию как основание. В результате образуются соль (нитрат меди(II)) и вода. Эта реакция не является окислительно-восстановительной.

Уравнение реакции:

$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

Ответ: $CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$

с карбонатом натрия

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой (угольной, $H_2CO_3$). Азотная кислота, будучи сильной кислотой, вытесняет более слабую угольную кислоту из её соли. Угольная кислота неустойчива и сразу разлагается на углекислый газ и воду. Реакция сопровождается выделением газа.

Уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + 2HNO_3 \rightarrow 2NaNO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$

Ответ: $Na_2CO_3 + 2HNO_3 \rightarrow 2NaNO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$

с аммиаком

Аммиак ($NH_3$) проявляет основные свойства и реагирует с азотной кислотой по типу реакции нейтрализации. В результате взаимодействия кислоты и основания образуется соль — нитрат аммония ($NH_4NO_3$).

Уравнение реакции:

$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

Ответ: $NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

11. Как в одну стадию осуществить следующие превращения:

a) $HCl \rightarrow HNO_3$

б) $H_2SO_4 \rightarrow HNO_3$

в) $KNO_3 \rightarrow HNO_3$

Приведите уравнения реакций и укажите их условия.

Решение

а) HCl → HNO₃

Для осуществления этого превращения необходимо провести реакцию ионного обмена между соляной кислотой и солью азотной кислоты, в результате которой один из продуктов реакции будет нерастворимым и выпадет в осадок. Таким реагентом является нитрат серебра ($AgNO_3$).

Уравнение реакции:

$HCl + AgNO_3 \rightarrow HNO_3 + AgCl \downarrow$

Условия реакции: реакция протекает в водном растворе при комнатной температуре. Образование белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$) сдвигает равновесие реакции вправо, способствуя образованию азотной кислоты.

Ответ: Реакция с нитратом серебра в водном растворе: $HCl + AgNO_3 \rightarrow HNO_3 + AgCl \downarrow$.

б) H₂SO₄ → HNO₃

Для получения азотной кислоты из серной кислоты используют её свойство быть сильной и нелетучей кислотой. Она способна вытеснять более летучие кислоты из их солей. Для этого серную кислоту смешивают с нитратом щелочного металла, например, с нитратом калия ($KNO_3$).

Уравнение реакции:

$H_2SO_4 \text{(конц.)} + KNO_3 \text{(тв.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

Условия реакции: необходимо использовать концентрированную серную кислоту и твердый нитрат калия. Смесь осторожно нагревают. Азотная кислота, как более летучая, испаряется, и её пары отводят из реактора и конденсируют.

Ответ: Реакция концентрированной серной кислоты с твердым нитратом калия при нагревании: $H_2SO_4 \text{(конц.)} + KNO_3 \text{(тв.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$.

в) KNO₃ → HNO₃

Это превращение является классическим лабораторным способом получения азотной кислоты. Оно основано на реакции между нитратом калия (калийная селитра) и сильной нелетучей кислотой, какой является серная кислота.

Уравнение реакции:

$KNO_3 \text{(тв.)} + H_2SO_4 \text{(конц.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$

Условия реакции: твердый нитрат калия смешивают с концентрированной серной кислотой и нагревают. Менее летучая серная кислота вытесняет летучую азотную кислоту из её соли. Пары азотной кислоты отгоняют и конденсируют для получения жидкого продукта.

Ответ: Реакция твердого нитрата калия с концентрированной серной кислотой при нагревании: $KNO_3 \text{(тв.)} + H_2SO_4 \text{(конц.)} \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3 \uparrow$.

12. В трёх пробирках без этикеток находятся водные растворы азотной кислоты, нитрата аммония и нитрата магния. Как с помощью одного реактива различить эти растворы? Напишите уравнения реакций и укажите их признаки.

Для того чтобы различить водные растворы азотной кислоты ($HNO_3$), нитрата аммония ($NH_4NO_3$) и нитрата магния ($Mg(NO_3)_2$) с помощью одного реактива, можно использовать раствор щелочи, например, гидроксид натрия ($NaOH$). Этот реактив будет по-разному взаимодействовать с каждым из трех веществ, что позволит их идентифицировать по наблюдаемым признакам.

Решение

Отберем пробы каждого из трех растворов в отдельные пробирки и добавим в каждую по несколько капель раствора гидроксида натрия ($NaOH$).

1. Взаимодействие с нитратом магния ($Mg(NO_3)_2$)

При добавлении гидроксида натрия к раствору нитрата магния произойдет реакция ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимое основание — гидроксид магния, который выпадает в виде белого студенистого осадка.

Уравнение реакции:

$Mg(NO_3)_2 + 2NaOH \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + 2NaNO_3$

Признак реакции: образование белого студенистого осадка.

2. Взаимодействие с нитратом аммония ($NH_4NO_3$)

При добавлении гидроксида натрия к раствору нитрата аммония также происходит реакция обмена. Образующийся гидроксид аммония является неустойчивым соединением и при комнатной температуре (или при легком нагревании) разлагается с выделением газообразного аммиака, обладающего характерным резким запахом.

Уравнение реакции:

$NH_4NO_3 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + NH_4OH$

$NH_4OH \rightarrow NH_3 \uparrow + H_2O$

Суммарное уравнение:

$NH_4NO_3 + NaOH \xrightarrow{t} NaNO_3 + NH_3 \uparrow + H_2O$

Признак реакции: выделение бесцветного газа с резким запахом.

3. Взаимодействие с азотной кислотой ($HNO_3$)

При добавлении гидроксида натрия к азотной кислоте протекает реакция нейтрализации с образованием соли (нитрата натрия) и воды. Оба продукта реакции растворимы и бесцветны, поэтому видимых признаков реакции (выделение газа, образование осадка) наблюдаться не будет.

Уравнение реакции:

$HNO_3 + NaOH \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

Признак реакции: отсутствие видимых изменений.

Таким образом, по наличию или отсутствию характерных признаков можно однозначно определить содержимое каждой пробирки.

Ответ: Чтобы различить данные растворы, нужно в каждую пробирку добавить раствор щелочи (например, $NaOH$). В пробирке с нитратом магния ($Mg(NO_3)_2$) выпадет белый осадок. В пробирке с нитратом аммония ($NH_4NO_3$) выделится газ с резким запахом. В пробирке с азотной кислотой ($HNO_3$) видимых изменений не произойдет.

13. Неизвестный нитрат при разложении не даёт твёрдого остатка. Определите формулу нитрата и напишите уравнение реакции.

Решение

Термическое разложение нитратов зависит от положения катиона (чаще всего, металла) в электрохимическом ряду активности. В большинстве случаев при разложении образуется твёрдый остаток.

1. Нитраты металлов, стоящих в ряду активности левее магния (активные металлы), разлагаются до нитрита и кислорода. Нитрит — твёрдое вещество. Пример:

$2KNO_3 \xrightarrow{t} 2KNO_2(тв.) + O_2(г)$

2. Нитраты металлов от магния до меди включительно, а также лития, разлагаются до оксида металла, оксида азота(IV) и кислорода. Оксид металла — твёрдое вещество. Пример:

$2Cu(NO_3)_2 \xrightarrow{t} 2CuO(тв.) + 4NO_2(г) + O_2(г)$

3. Нитраты металлов, стоящих правее меди (неактивные металлы), разлагаются до свободного металла, оксида азота(IV) и кислорода. За исключением ртути, металлы являются твёрдыми веществами. Пример:

$2AgNO_3 \xrightarrow{t} 2Ag(тв.) + 2NO_2(г) + O_2(г)$

Из условия задачи известно, что твёрдого остатка не образуется. Это означает, что все продукты реакции при температуре разложения являются газами или летучими жидкостями. Такое поведение нехарактерно для нитратов металлов (кроме нитратов ртути). Наиболее распространённым примером вещества, удовлетворяющего этому условию, является нитрат аммония ($NH_4NO_3$).

При контролируемом нагревании нитрат аммония разлагается на газообразные оксид азота(I) и воду (пар), не оставляя твёрдого остатка.

Уравнение реакции:

$NH_4NO_3 \xrightarrow{t} N_2O + 2H_2O$

Таким образом, неизвестный нитрат — это нитрат аммония.

Ответ: Формула нитрата — $NH_4NO_3$. Уравнение реакции: $NH_4NO_3 \xrightarrow{t} N_2O + 2H_2O$.