Страница 169 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. При производстве аммиака не используют следующие принципы химической технологии:

1) циркуляцию

2) понижение давления

3) применение катализатора

4) теплообмен

5) понижение температуры

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать промышленные условия синтеза аммиака (процесс Габера-Боша) с точки зрения общих принципов химической технологии, которые направлены на увеличение выхода продукта и экономической эффективности процесса.

Уравнение реакции синтеза аммиака:

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

Реакция является обратимой, экзотермической (протекает с выделением тепла $Q$), каталитической, а также идет с уменьшением объема (из 4 моль газообразных реагентов образуется 2 моль газообразного продукта).

Рассмотрим каждый из предложенных принципов в контексте данной реакции:

1) циркуляцию

Реакция синтеза аммиака является обратимой, и равновесие достигается при неполном превращении исходных веществ. Выход аммиака за один проход через катализатор обычно составляет 10-20%. Чтобы увеличить общий (интегральный) выход продукта и не терять дорогостоящие непрореагировавшие азот и водород, их отделяют от полученного аммиака (который сжижают охлаждением) и возвращают обратно в реактор. Этот процесс возврата непрореагировавших реагентов в технологический цикл называется циркуляцией. Таким образом, принцип циркуляции является одним из ключевых в производстве аммиака.

2) понижение давления

Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону продуктов в реакции, протекающей с уменьшением числа моль газов, необходимо повышать давление. В реакции синтеза аммиака из 4 объемов газов-реагентов ($1$ объем $N_2$ и $3$ объема $H_2$) образуется 2 объема газа-продукта ($NH_3$). Следовательно, для увеличения выхода аммиака процесс ведут при высоком давлении (15-35 МПа, а в некоторых установках и выше). Понижение давления, наоборот, сместило бы равновесие влево, в сторону исходных веществ, что уменьшило бы выход продукта. Поэтому принцип понижения давления в производстве аммиака не используется, так как он прямо противоречит цели процесса.

3) применение катализатора

Молекула азота ($N_2$) очень инертна из-за наличия прочной тройной связи между атомами. Без катализатора скорость реакции синтеза аммиака ничтожно мала даже при высоких температурах и давлениях. Для достижения приемлемой скорости реакции используют гетерогенный катализатор, обычно на основе пористого железа с различными добавками-промоторами ($K_2O$, $Al_2O_3$ и др.). Применение катализатора является обязательным и фундаментальным принципом промышленного синтеза аммиака.

4) теплообмен

Реакция синтеза аммиака является экзотермической. Выделяющееся в реакторе тепло используется для подогрева поступающей в него холодной азотоводородной смеси. Этот прием, называемый принципом теплообмена (или рекуперации тепла), позволяет значительно сократить затраты энергии на нагрев реагентов и является важным принципом энергосбережения в современной химической технологии. Таким образом, принцип теплообмена широко используется.

5) понижение температуры

Согласно принципу Ле Шателье, для экзотермической реакции понижение температуры смещает равновесие вправо, в сторону образования продуктов, увеличивая равновесный выход. Однако при низкой температуре скорость реакции становится очень маленькой. Поэтому в промышленности выбирают компромиссную, оптимальную температуру (обычно 400–500 °С), которая обеспечивает и приемлемую скорость, и достаточно высокий равновесный выход аммиака. Кроме того, для отделения целевого продукта (аммиака) от непрореагировавших газов реакционную смесь на выходе из реактора охлаждают (понижают температуру), при этом аммиак сжижается, а азот и водород остаются в газовой фазе. Таким образом, принцип понижения температуры (и при выборе оптимальных условий, и при разделении продуктов) учитывается и используется в процессе.

Из проведенного анализа следует, что единственным принципом, который не используется в производстве аммиака, поскольку он технологически нецелесообразен и ведет к снижению выхода продукта, является понижение давления.

Ответ: 2

12. Установите соответствие между веществами и реактивом, с помощью которого их можно различить.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

А) $KCl$ и $NaBr$

1) лакмус

Б) $RbNO_3$ и $HNO_3$

2) $CuSO_4$

В) $Na_2SO_4$ и $LiNO_3$

3) $BaCl_2$

4) $AgNO_3$

А) KCl и NaBr

Решение

Чтобы различить растворы хлорида калия ($KCl$) и бромида натрия ($NaBr$), нужно найти реагент, который по-разному взаимодействует с анионами $Cl^-$ и $Br^-$. Из предложенных вариантов подходит нитрат серебра ($AgNO_3$), который является качественным реактивом на галогенид-ионы. При взаимодействии с хлоридом калия образуется белый творожистый осадок хлорида серебра:
$KCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + KNO_3$
При взаимодействии с бромидом натрия образуется светло-желтый осадок бромида серебра:
$NaBr + AgNO_3 \rightarrow AgBr\downarrow + NaNO_3$
По разнице в цвете образующихся осадков можно отличить одно вещество от другого.

Ответ: 4

Б) RbNO₃ и HNO₃

Решение

В этой паре нужно различить соль, нитрат рубидия ($RbNO_3$), и сильную кислоту, азотную кислоту ($HNO_3$). Раствор соли $RbNO_3$, образованной сильным основанием ($RbOH$) и сильной кислотой ($HNO_3$), имеет нейтральную среду ($pH \approx 7$). Раствор азотной кислоты имеет кислую среду ($pH < 7$). Различить растворы с разной кислотностью можно с помощью кислотно-основного индикатора, например, лакмуса. В нейтральном растворе $RbNO_3$ лакмус будет фиолетовым, а в кислом растворе $HNO_3$ он станет красным.

Ответ: 1

В) Na₂SO₄ и LiNO₃

Решение

Здесь необходимо различить две соли: сульфат натрия ($Na_2SO_4$) и нитрат лития ($LiNO_3$). Обе соли образованы сильными кислотами и сильными основаниями, поэтому их водные растворы нейтральны, и индикатор не поможет. Следует искать качественную реакцию на один из ионов ($Na^+$, $SO_4^{2-}$, $Li^+$, $NO_3^-$). Качественным реактивом на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) являются растворимые соли бария, в данном случае — хлорид бария ($BaCl_2$).
При добавлении $BaCl_2$ к раствору $Na_2SO_4$ выпадет белый осадок сульфата бария:
$Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
В то же время, нитрат лития с хлоридом бария не реагирует с образованием осадка, так как все возможные продукты растворимы в воде. Таким образом, по наличию осадка можно определить, в какой пробирке находится сульфат натрия.

Ответ: 3

13. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$Br_2 \rightarrow NaBr \rightarrow Br_2 \rightarrow HBr \rightarrow AgBr\downarrow$

Для осуществления данной цепи превращений необходимо последовательно провести четыре химические реакции.

Br₂ → NaBr

Первое превращение — получение бромида натрия из простого вещества брома. Это можно осуществить путем реакции брома с металлическим натрием. В результате реакции соединения образуется соль бромид натрия.

$2Na + Br_2 \rightarrow 2NaBr$

Ответ: $2Na + Br_2 \rightarrow 2NaBr$

NaBr → Br₂

Второе превращение — получение брома из бромида натрия. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой бромид-ион ($Br^-$) окисляется до молекулярного брома ($Br_2^0$). В качестве окислителя можно использовать более электроотрицательный галоген, например, хлор, который вытесняет бром из раствора его соли.

$2NaBr + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Ответ: $2NaBr + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Br₂ → HBr

Третье превращение — синтез бромоводорода из брома. Бромоводород получают прямой реакцией между водородом и парами брома при нагревании или в присутствии катализатора.

$H_2 + Br_2 \xrightarrow{t} 2HBr$

Ответ: $H_2 + Br_2 \rightarrow 2HBr$

HBr → AgBr↓

Четвертое превращение — получение нерастворимого бромида серебра. Бромоводородная кислота (водный раствор HBr) реагирует с растворимой солью серебра, например, нитратом серебра ($AgNO_3$), в реакции ионного обмена. В результате образуется нерастворимый в воде и кислотах светло-желтый осадок бромида серебра.

$HBr + AgNO_3 \rightarrow AgBr\downarrow + HNO_3$

Ответ: $HBr + AgNO_3 \rightarrow AgBr\downarrow + HNO_3$

14. Определите массу технического образца цинка, содержащего 5 % примесей меди, необходимого для получения 20 л водорода (н. у.) из соляной кислоты.

Дано:

$V(H_2) = 20 \text{ л}$ (н. у.)

$\omega(\text{примесей Cu}) = 5\% = 0.05$

Найти:

$m(\text{техн. образца}) - ?$

Решение:

Для решения задачи необходимо составить уравнение химической реакции. В техническом образце цинка содержится примесь меди. Медь стоит в электрохимическом ряду напряжений металлов после водорода, поэтому она не реагирует с соляной кислотой. Водород выделяется только в результате реакции цинка с кислотой.

Уравнение реакции:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

1. Найдем количество вещества (моль) водорода, выделившегося в ходе реакции. Так как водород находится при нормальных условиях (н. у.), его молярный объем $V_m$ составляет 22,4 л/моль.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{20 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.8929 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции определим количество вещества чистого цинка, вступившего в реакцию. Из уравнения видно, что стехиометрическое соотношение цинка и водорода составляет 1:1.

$n(Zn) = n(H_2) \approx 0.8929 \text{ моль}$

3. Вычислим массу чистого цинка, необходимого для реакции. Молярная масса цинка $M(Zn)$ принимается равной 65 г/моль.

$m(\text{чист. } Zn) = n(Zn) \times M(Zn) = 0.8929 \text{ моль} \times 65 \text{ г/моль} \approx 58.04 \text{ г}$

4. Определим массовую долю чистого цинка в техническом образце. Если примеси составляют 5%, то массовая доля чистого цинка:

$\omega(\text{чист. } Zn) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 5\% = 95\%$ или 0.95 в долях от единицы.

5. Найдем массу технического образца цинка. Масса чистого вещества связана с массой образца через массовую долю:

$m(\text{техн. образца}) = \frac{m(\text{чист. } Zn)}{\omega(\text{чист. } Zn)} = \frac{58.04 \text{ г}}{0.95} \approx 61.09 \text{ г}$

Ответ: масса технического образца цинка составляет приблизительно 61,09 г.

1. Какая электронная формула соответствует иону $S^{2-}$?

1) $2e$, $8e$, $8e$

2) $2e$, $8e$, $2e$

3) $2e$, $8e$, $6e$

4) $2e$, $8e$

Решение

Чтобы определить электронную формулу иона $S^{2-}$, необходимо сначала найти электронную конфигурацию нейтрального атома серы (S), а затем учесть изменение количества электронов при образовании иона.

1. Атом серы (S) имеет порядковый номер 16 в Периодической таблице химических элементов. Это означает, что нейтральный атом серы содержит 16 протонов и, соответственно, 16 электронов.

2. Распределим электроны нейтрального атома серы по энергетическим уровням. Поскольку сера находится в 3-м периоде, у её атома 3 энергетических уровня:
- на первом уровне помещается 2 электрона;
- на втором уровне — 8 электронов;
- на третьем (внешнем) уровне находятся оставшиеся электроны: $16 - 2 - 8 = 6$ электронов.
Таким образом, электронная формула нейтрального атома серы (S) — это 2, 8, 6. Эта конфигурация соответствует варианту 3), но вопрос задан про ион.

3. Ион $S^{2-}$ (сульфид-ион) образуется, когда нейтральный атом серы принимает (присоединяет) два электрона для завершения своего внешнего энергетического уровня. Заряд "2-" указывает на наличие двух дополнительных отрицательно заряженных частиц — электронов.

4. Общее число электронов в ионе $S^{2-}$ составляет: $16$ (в нейтральном атоме) $+ 2$ (присоединенных) $= 18$ электронов.

5. Теперь распределим эти 18 электронов по энергетическим уровням иона $S^{2-}$:
- на первом уровне: 2 электрона ($2e$);
- на втором уровне: 8 электронов ($8e$);
- на третьем уровне: $18 - 2 - 8 = 8$ электронов ($8e$).
Следовательно, итоговая электронная формула для иона $S^{2-}$: 2, 8, 8. Эта конфигурация является завершенной и соответствует электронной структуре благородного газа аргона (Ar).

Сравнив полученный результат с предложенными вариантами, мы видим, что он совпадает с вариантом 1).

Ответ: 1) 2e, 8e, 8e

2. Укажите формулу высшего оксида и летучего водородного сое-динения элементов VA-группы.

1) $\text{Э}\text{О}_2$ и $\text{Э}\text{Н}_4$

2) $\text{Э}\text{О}_3$ и $\text{Э}\text{Н}_2$

3) $\text{Э}_2\text{О}_5$ и $\text{Э}\text{Н}_3$

4) $\text{Э}_2\text{О}_5$ и $\text{Э}\text{Н}$

Решение

Для определения формул высшего оксида и летучего водородного соединения для элементов VA-группы (15-й группы периодической системы) необходимо проанализировать их возможные степени окисления. Обозначим произвольный элемент этой группы символом Э.

Высший оксид

Высшая положительная степень окисления для элементов главных подгрупп, как правило, совпадает с номером группы. Элементы VA-группы имеют высшую степень окисления +5. Степень окисления кислорода в оксидах практически всегда равна -2. Чтобы составить формулу соединения, необходимо, чтобы суммарный заряд молекулы был равен нулю (принцип электронейтральности). Пусть формула оксида $Э_xО_y$. Тогда должно выполняться равенство: $x \cdot (+5) + y \cdot (-2) = 0$. Наименьшие целые числа, удовлетворяющие этому условию, — $x=2$ и $y=5$. Таким образом, формула высшего оксида для элементов VA-группы — $Э_2О_5$.

Летучее водородное соединение

Летучие водородные соединения образуют элементы-неметаллы. В этих соединениях они проявляют свою низшую отрицательную степень окисления. Ее можно рассчитать по формуле: (номер группы) - 8. Для элементов VA-группы низшая степень окисления равна $5 - 8 = -3$. Степень окисления водорода в соединениях с неметаллами равна +1. Составим формулу соединения $Э_xH_y$, исходя из принципа электронейтральности: $x \cdot (-3) + y \cdot (+1) = 0$. Наименьшие целые числа, удовлетворяющие этому условию, — $x=1$ и $y=3$. Следовательно, формула летучего водородного соединения — $ЭН_3$.

Сопоставив полученные результаты, мы видим, что общие формулы высшего оксида и летучего водородного соединения для элементов VA-группы — это $Э_2О_5$ и $ЭН_3$. Данный вариант представлен под номером 3.

Ответ: 3) $Э_2О_5$ и $ЭН_3$