Страница 67 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

Часть II

1. Получение азота.

а) В лаборатории — разложением нитрита аммония:

б) В промышленности:

а) В лаборатории — разложением нитрита аммония:

В лабораторных условиях азот получают при осторожном нагревании водного раствора нитрита аммония ($NH_4NO_2$). Это соединение нестабильно и легко разлагается, образуя молекулярный азот ($N_2$) и воду. Уравнение этой химической реакции:

$NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2 \uparrow + 2H_2O$

Реакция является окислительно-восстановительной, где азот в ионе аммония ($N^{-3}$) окисляется, а азот в нитрит-ионе ($N^{+3}$) восстанавливается до элементарного азота ($N_2^0$).

Ответ: $NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2 + 2H_2O$.

б) В промышленности:

Промышленный способ получения азота основан на его выделении из атмосферного воздуха, который является практически неисчерпаемым источником этого газа (содержание ~78% по объему). Основным методом является фракционная перегонка (или ректификация) сжиженного воздуха.

Процесс состоит из следующих стадий:

1. Воздух очищают от пыли, паров воды, углекислого газа и других примесей.

2. Очищенный воздух сжимают и сильно охлаждают до получения жидкой смеси, состоящей в основном из азота и кислорода.

3. Жидкий воздух подают в ректификационную колонну, где его медленно нагревают. Компоненты жидкого воздуха имеют разные температуры кипения: азот кипит при -195,8 °C, а кислород — при -183,0 °C. Благодаря этой разнице, азот, как более летучий компонент, испаряется первым и поднимается в верхнюю часть колонны, откуда его отбирают. Жидкий кислород остается в нижней части колонны.

Ответ: фракционная перегонка (ректификация) сжиженного воздуха.

2. Определите формулы неизвестных реагентов в схеме последовательных превращений и запишите соответствующие уравнения реакций.

$N_2 \xrightarrow{X_1} Mg_3N_2 \xrightarrow{X_2} NH_3 \xrightarrow{X_3} NO \xrightarrow{X_4} NO_2$

1)

2)

3)

4)

1) В первой реакции из азота ($N_2$) получают нитрид магния ($Mg_3N_2$). Это возможно при взаимодействии азота с активным металлом, в данном случае с магнием ($Mg$), при нагревании. Следовательно, неизвестный реагент $X_1$ – это магний.
Уравнение реакции:
$3Mg + N_2 \xrightarrow{t} Mg_3N_2$
Ответ: $X_1$ – $Mg$ (магний).

2) Во второй реакции из нитрида магния ($Mg_3N_2$) получают аммиак ($NH_3$). Нитриды активных металлов подвергаются полному и необратимому гидролизу при взаимодействии с водой ($H_2O$) с образованием соответствующего гидроксида и аммиака. Следовательно, неизвестный реагент $X_2$ – это вода.
Уравнение реакции:
$Mg_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Mg(OH)_2\downarrow + 2NH_3\uparrow$
Ответ: $X_2$ – $H_2O$ (вода).

3) В третьей реакции из аммиака ($NH_3$) получают оксид азота(II) ($NO$). Это промышленный способ получения $NO$, который заключается в каталитическом окислении аммиака кислородом ($O_2$) на платиновом или платино-родиевом катализаторе при высокой температуре. Следовательно, неизвестный реагент $X_3$ – это кислород.
Уравнение реакции:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{kat., t} 4NO + 6H_2O$
Ответ: $X_3$ – $O_2$ (кислород).

4) В четвертой реакции из оксида азота(II) ($NO$) получают оксид азота(IV) ($NO_2$). Оксид азота(II) легко окисляется кислородом воздуха ($O_2$) до оксида азота(IV). Реакция протекает самопроизвольно при обычных условиях. Следовательно, неизвестный реагент $X_4$ – это кислород.
Уравнение реакции:
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$
Ответ: $X_4$ – $O_2$ (кислород).

3. Найдите объём азота (н. у.), который можно получить фракционной перегонкой 1 т чистого воздуха.

Дано:

Решение:

Дано:

$m_{воздуха} = 1$ т

$m_{воздуха} = 1 \cdot 1000$ кг $= 1 \cdot 10^6$ г

Найти:

$V(N_2)$ (н. у.) — ?

Решение:

Воздух представляет собой смесь газов. Фракционная перегонка — это физический процесс разделения компонентов смеси, основанный на различии их температур кипения. В ходе этого процесса химических превращений не происходит.

Состав чистого сухого воздуха у поверхности Земли по объему примерно следующий: 78.08% азота ($N_2$), 20.95% кислорода ($O_2$), 0.93% аргона (Ar) и малые количества других газов. Для расчетов примем объемную долю азота $\phi(N_2) = 78\%$.

1. Чтобы связать массу воздуха с объемом одного из его компонентов, необходимо использовать молярные величины. Найдем количество вещества для 1 тонны воздуха. Для этого нам нужна средняя молярная масса воздуха ($M_{возд}$). Её можно рассчитать на основе состава воздуха или использовать стандартное значение.

Средняя молярная масса воздуха: $M_{возд} \approx \phi(N_2) \cdot M(N_2) + \phi(O_2) \cdot M(O_2) + \phi(Ar) \cdot M(Ar)$ $M_{возд} \approx 0.78 \cdot 28 \frac{г}{моль} + 0.21 \cdot 32 \frac{г}{моль} + 0.01 \cdot 40 \frac{г}{моль} \approx 28.96$ г/моль. В школьных задачах часто используется округленное значение $M_{возд} \approx 29$ г/моль. Воспользуемся более точным значением для большей аккуратности.

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) в 1 тонне воздуха: $n_{возд} = \frac{m_{возд}}{M_{возд}} = \frac{1 \cdot 10^6 \text{ г}}{28.96 \text{ г/моль}} \approx 34530.4$ моль.

3. Согласно закону Авогадро, объемная доля газа в газовой смеси равна его мольной доле ($\chi$). Следовательно, мольная доля азота в воздухе составляет 78%. $\chi(N_2) = \phi(N_2) = 0.78$.

4. Теперь можем найти количество вещества азота в данном количестве воздуха: $n(N_2) = n_{возд} \cdot \chi(N_2) = 34530.4 \text{ моль} \cdot 0.78 \approx 26933.7$ моль.

5. Наконец, найдем объем этого количества азота при нормальных условиях (н. у.: давление 101.3 кПа, температура 0°C). Молярный объем газа при н. у. ($V_m$) составляет 22.4 л/моль. $V(N_2) = n(N_2) \cdot V_m = 26933.7 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} \approx 603315$ л.

6. Результат удобно выразить в кубических метрах ($1 \text{ м}^3 = 1000$ л). $V(N_2) = \frac{603315 \text{ л}}{1000 \text{ л/м}^3} \approx 603.3$ м$^3$.

Ответ: из 1 тонны чистого воздуха можно получить примерно 603.3 м$^3$ азота (при н. у.).