Страница 211 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

5. Предложите две цепочки превращений, приводящих к получению азотной кислоты, исходя из азота и аммиака. Опишите окислительно-восстановительные реакции, используя метод электронного баланса.

Для получения азотной кислоты можно предложить две основные цепочки превращений, одна из которых исходит из азота, а другая — из аммиака.

Данный способ основан на прямом окислении атмосферного азота.

Схема превращений: $N_2 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3$

1. Получение оксида азота(II) из азота.

Реакция окисления азота кислородом происходит при очень высокой температуре (около 3000°C, например, в электрической дуге) и является обратимой. Это первая стадия процесса.

$N_2 + O_2 \rightleftharpoons 2NO$

Это окислительно-восстановительная реакция. Азот является восстановителем, а кислород — окислителем.

Метод электронного баланса:

$N_2^0 - 4e^- \rightarrow 2N^{+2}$ | 1 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | окислитель, восстановление

2. Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV).

При охлаждении смеси оксид азота(II) легко окисляется кислородом воздуха до оксида азота(IV).

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

В этой реакции оксид азота(II) является восстановителем, а кислород — окислителем.

Метод электронного баланса:

$N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | окислитель, восстановление

3. Получение азотной кислоты.

Азотная кислота образуется при взаимодействии оксида азота(IV) с водой в присутствии кислорода.

$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Здесь оксид азота(IV) является восстановителем, а кислород — окислителем.

Метод электронного баланса:

$N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$ | 4 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | окислитель, восстановление

Ответ: Цепочка превращений из азота: $N_2 \xrightarrow{O_2, t^\circ} NO \xrightarrow{O_2} NO_2 \xrightarrow{O_2, H_2O} HNO_3$. Окислительно-восстановительными являются все три стадии процесса.

Это основной промышленный способ получения азотной кислоты (метод Оствальда).

Схема превращений: $NH_3 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3$

1. Каталитическое окисление аммиака.

Аммиак окисляют кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе при температуре 850-900°C.

$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt/Rh, t^\circ} 4NO + 6H_2O$

В этой реакции аммиак является восстановителем, а кислород — окислителем.

Метод электронного баланса:

$N^{-3} - 5e^- \rightarrow N^{+2}$ | 4 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 5 | окислитель, восстановление

2. Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV).

Эта стадия полностью аналогична второй стадии в первой цепочке.

$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

Метод электронного баланса:

$N^{+2} - 2e^- \rightarrow N^{+4}$ | 2 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | окислитель, восстановление

3. Получение азотной кислоты.

Эта стадия также полностью аналогична третьей стадии в первой цепочке.

$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Метод электронного баланса:

$N^{+4} - 1e^- \rightarrow N^{+5}$ | 4 | восстановитель, окисление
$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ | 1 | окислитель, восстановление

Ответ: Цепочка превращений из аммиака: $NH_3 \xrightarrow{O_2, кат., t^\circ} NO \xrightarrow{O_2} NO_2 \xrightarrow{O_2, H_2O} HNO_3$. Все три стадии процесса являются окислительно-восстановительными реакциями.

6. Рассчитайте массу 68%-й азотной кислоты, которую можно получить из 276 кг (н. у.) оксида азота (IV).

Дано:

Масса оксида азота(IV), $m(NO_2) = 276$ кг

Массовая доля раствора азотной кислоты, $w(HNO_3) = 68\% = 0.68$

Найти:

Массу 68%-го раствора азотной кислоты, $m_{раствора}(HNO_3)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции получения азотной кислоты из оксида азота(IV) в присутствии кислорода (промышленный способ):

$$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$$

2. Рассчитаем молярные массы реагента и продукта, используя относительные атомные массы: $Ar(N) = 14$, $Ar(O) = 16$, $Ar(H) = 1$.

Молярная масса оксида азота(IV) ($NO_2$):

$$M(NO_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль} = 46 \text{ кг/кмоль}$$

Молярная масса азотной кислоты ($HNO_3$):

$$M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль} = 63 \text{ кг/кмоль}$$

3. Найдем количество вещества (в киломолях) оксида азота(IV), содержащегося в 276 кг:

$$n(NO_2) = \frac{m(NO_2)}{M(NO_2)} = \frac{276 \text{ кг}}{46 \text{ кг/кмоль}} = 6 \text{ кмоль}$$

4. По уравнению реакции определим количество вещества азотной кислоты. Стехиометрические коэффициенты перед $NO_2$ и $HNO_3$ равны (4 и 4), следовательно, их количества веществ также равны:

$$\frac{n(NO_2)}{4} = \frac{n(HNO_3)}{4} \Rightarrow n(HNO_3) = n(NO_2) = 6 \text{ кмоль}$$

5. Рассчитаем массу чистой (100%-й) азотной кислоты, которая образуется в результате реакции:

$$m(HNO_3) = n(HNO_3) \cdot M(HNO_3) = 6 \text{ кмоль} \cdot 63 \text{ кг/кмоль} = 378 \text{ кг}$$

6. Теперь, зная массу чистой кислоты и ее массовую долю в растворе, найдем общую массу 68%-го раствора:

$$m_{раствора}(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{w(HNO_3)} = \frac{378 \text{ кг}}{0.68} \approx 555.88 \text{ кг}$$

Округляя до целого числа, получаем 556 кг.

Ответ: 556 кг.

7. При прокаливании 340 г натриевой селитры получили 33,6 л (н. у.) кислорода. Рассчитайте массовую долю примесей в селитре.

Дано:

Масса образца натриевой селитры: $m(образца) = 340$ г

Объем выделившегося кислорода (н. у.): $V(O_2) = 33.6$ л

Молярный объем газа (н. у.): $V_m = 22.4$ л/моль

Найти:

Массовую долю примесей $\omega(примесей)$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции термического разложения нитрата натрия (натриевой селитры). При прокаливании нитраты щелочных металлов разлагаются на нитриты и кислород:

$2NaNO_3 \xrightarrow{t} 2NaNO_2 + O_2$

Из уравнения реакции видно, что примеси в реакции не участвуют и кислород выделяется только из чистого нитрата натрия.

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) выделившегося кислорода, используя его объем при нормальных условиях (н. у.):

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{33.6 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 1.5$ моль

3. По уравнению реакции найдем количество вещества нитрата натрия, вступившего в реакцию. Соотношение количеств веществ нитрата натрия и кислорода составляет $2:1$.

$n(NaNO_3) = 2 \cdot n(O_2) = 2 \cdot 1.5 \text{ моль} = 3$ моль

4. Вычислим молярную массу нитрата натрия $NaNO_3$:

$M(NaNO_3) = M(Na) + M(N) + 3 \cdot M(O) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85$ г/моль

5. Найдем массу чистого нитрата натрия, который разложился в ходе реакции:

$m(NaNO_3) = n(NaNO_3) \cdot M(NaNO_3) = 3 \text{ моль} \cdot 85 \text{ г/моль} = 255$ г

6. Теперь можно найти массу примесей в исходном образце селитры. Для этого вычтем массу чистого вещества из общей массы образца:

$m(примесей) = m(образца) - m(NaNO_3) = 340 \text{ г} - 255 \text{ г} = 85$ г

7. Рассчитаем массовую долю примесей в образце по формуле:

$\omega(примесей) = \frac{m(примесей)}{m(образца)} \cdot 100\% = \frac{85 \text{ г}}{340 \text{ г}} \cdot 100\% = 0.25 \cdot 100\% = 25\%$

Ответ: Массовая доля примесей в селитре составляет 25%.