Номер 6, страница 103 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

6. Один из способов получения фосфорной кислоты — окисление фосфора концентрированной азотной кислотой. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение данной реакции, протекающей по схеме: $P + HNO_3 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + NO \uparrow$. Какая масса фосфорной кислоты образуется при окислении 17,2 г технического красного фосфора, содержащего 10 % примесей?

Составление уравнения реакции методом электронного баланса

Сначала определим степени окисления элементов, которые их изменяют в ходе реакции:

$ \stackrel{0}{P} + H\stackrel{+5}{N}O_3 + H_2O \rightarrow H_3\stackrel{+5}{P}O_4 + \stackrel{+2}{N}O $

Фосфор (P) повышает свою степень окисления с 0 до +5, являясь восстановителем. Азот (N) понижает свою степень окисления с +5 до +2, являясь окислителем.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$ \stackrel{0}{P} - 5e^- \rightarrow \stackrel{+5}{P} $ (окисление)
$ \stackrel{+5}{N} + 3e^- \rightarrow \stackrel{+2}{N} $ (восстановление)

Для составления электронного баланса найдем наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (5 и 3), которое равно 15. Определим коэффициенты, умножив первую полуреакцию на 3, а вторую на 5:

$ \stackrel{0}{P} - 5e^- \rightarrow \stackrel{+5}{P} \quad | \cdot 3 $ (восстановитель)
$ \stackrel{+5}{N} + 3e^- \rightarrow \stackrel{+2}{N} \quad | \cdot 5 $ (окислитель)

Подставим полученные коэффициенты в схему реакции:

$ 3P + 5HNO_3 + H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO $

Теперь уравняем количество атомов водорода и кислорода. В правой части уравнения 9 атомов водорода (в 3 молекулах $H_3PO_4$). В левой части 5 атомов водорода (в 5 молекулах $HNO_3$), значит, для равновесия необходимо еще 4 атома водорода, что соответствует 2 молекулам воды ($2H_2O$).

$ 3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO $

Проверим баланс по кислороду:

Слева: $5 \cdot 3 + 2 \cdot 1 = 15 + 2 = 17$ атомов.

Справа: $3 \cdot 4 + 5 \cdot 1 = 12 + 5 = 17$ атомов.

Баланс достигнут. Итоговое уравнение реакции:

Ответ: $3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO\uparrow$

2. Расчет массы фосфорной кислоты

Дано:
$m_{техн.}(P) = 17,2 \text{ г}$
$\omega_{примесей} = 10\% = 0,1$

Найти:
$m(H_3PO_4) - ?$

Решение:

1. Найдем массу чистого фосфора в техническом образце. Массовая доля чистого фосфора составляет:

$\omega_{чист.}(P) = 100\% - \omega_{примесей} = 100\% - 10\% = 90\% = 0,9$

Масса чистого фосфора:

$m(P) = m_{техн.}(P) \cdot \omega_{чист.}(P) = 17,2 \text{ г} \cdot 0,9 = 15,48 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярные массы фосфора (P) и фосфорной кислоты ($H_3PO_4$):

$M(P) = 31 \text{ г/моль}$

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (число молей) фосфора, вступившего в реакцию:

$\nu(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{15,48 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} \approx 0,4994 \text{ моль}$

4. Используя уравнение реакции $3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$, определим количество вещества фосфорной кислоты. Согласно уравнению, соотношение молей фосфора и фосфорной кислоты составляет 3:3 или 1:1.

$\frac{\nu(P)}{3} = \frac{\nu(H_3PO_4)}{3} \implies \nu(H_3PO_4) = \nu(P) \approx 0,4994 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу образовавшейся фосфорной кислоты:

$m(H_3PO_4) = \nu(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0,4994 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} \approx 48,94 \text{ г}$

С учетом исходной точности данных (17,2 г - три значащие цифры), округлим ответ до трех значащих цифр.

Ответ: масса образовавшейся фосфорной кислоты равна 48,9 г.