Номер 3, страница 165 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

3. Французский химик К. Шееле получил хлор по реакции оксида марганца (IV) с соляной кислотой. В результате этой реакции образуются также хлорид марганца (II) и вода. Составьте уравнение этой реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы и рассчитайте массу оксида марганца (IV) и количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора (н. у.), если выход его составляет 95% от теоретически возможного.

Сначала составим уравнение реакции. Оксид марганца (IV) ($MnO_2$) реагирует с соляной кислотой ($HCl$) с образованием хлорида марганца (II) ($MnCl_2$), хлора ($Cl_2$) и воды ($H_2O$).

$MnO_2 + HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + H_2O$

Это окислительно-восстановительная реакция. Рассмотрим процессы изменения степеней окисления, чтобы уравнять реакцию:

$Mn^{+4} + 2e^{-} \rightarrow Mn^{+2}$ | 1 (Марганец является окислителем, он восстанавливается)
$2Cl^{-} - 2e^{-} \rightarrow Cl_2^{0}$ | 1 (Хлор является восстановителем, он окисляется)

Из электронного баланса видно, что на 1 моль $MnO_2$ образуется 1 моль $Cl_2$. Для этого требуется 2 моль $HCl$ (для окисления) и еще 2 моль $HCl$ для образования соли $MnCl_2$. Итого 4 моль $HCl$. Сбалансированное уравнение реакции:

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 \uparrow + 2H_2O$

Далее проведем расчеты для нахождения массы оксида марганца (IV) и количества вещества хлороводорода.

Дано:

$V_{практ.}(Cl_2) = 100 \text{ л}$
$\eta = 95\% = 0.95$
Условия: н. у. (нормальные условия)

Найти:

$m(MnO_2) - ?$
$n(HCl) - ?$

Решение:

1. Рассчитаем теоретический объем хлора ($V_{теор.}(Cl_2)$), который мог бы получиться при 100% выходе реакции.

$\eta = \frac{V_{практ.}(Cl_2)}{V_{теор.}(Cl_2)} \implies V_{теор.}(Cl_2) = \frac{V_{практ.}(Cl_2)}{\eta}$

$V_{теор.}(Cl_2) = \frac{100 \text{ л}}{0.95} \approx 105.26 \text{ л}$

2. Найдем теоретическое количество вещества (моль) хлора, используя молярный объем газа при н.у. ($V_m = 22.4 \text{ л/моль}$).

$n_{теор.}(Cl_2) = \frac{V_{теор.}(Cl_2)}{V_m} = \frac{105.26 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 4.70 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции $MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$ определим стехиометрические соотношения количеств веществ:

$n(MnO_2) : n(HCl) : n(Cl_2) = 1 : 4 : 1$

4. Рассчитаем количество вещества оксида марганца (IV), необходимого для реакции.

$\frac{n(MnO_2)}{1} = \frac{n_{теор.}(Cl_2)}{1} \implies n(MnO_2) = n_{теор.}(Cl_2) = 4.70 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу оксида марганца (IV). Молярная масса $M(MnO_2) = 54.9 + 2 \cdot 16.0 = 86.9 \text{ г/моль}$.

$m(MnO_2) = n(MnO_2) \cdot M(MnO_2) = 4.70 \text{ моль} \cdot 86.9 \text{ г/моль} \approx 408.4 \text{ г}$

6. Рассчитаем количество вещества хлороводорода, необходимого для реакции.

$\frac{n(HCl)}{4} = \frac{n_{теор.}(Cl_2)}{1} \implies n(HCl) = 4 \cdot n_{теор.}(Cl_2)$

$n(HCl) = 4 \cdot 4.70 \text{ моль} = 18.8 \text{ моль}$

Ответ: для получения 100 л хлора необходимо approximately 408.4 г оксида марганца (IV) и 18.8 моль хлороводорода.