Страница 74 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

3. Найдите объём аммиака (н. у.) и массу 80%-ного раствора азотной кислоты, необходимых для получения 320 кг аммиачной селитры ($ \text{NH}_4\text{NO}_3 $).

Дано:

Решение:

Дано:

Масса аммиачной селитры $m(NH_4NO_3) = 320 \text{ кг}$
Массовая доля раствора азотной кислоты $\omega(HNO_3) = 80\% = 0.8$
Условия для аммиака - нормальные (н. у.)

Перевод в СИ:
$m(NH_4NO_3) = 320 \text{ кг}$

Найти:
$V(NH_3)$ - ?
$m_{р-ра}(HNO_3)$ - ?

Решение:

1. Составим уравнение реакции получения нитрата аммония (аммиачной селитры) из аммиака и азотной кислоты:
$NH_3 + HNO_3 \rightarrow NH_4NO_3$

2. Рассчитаем молярные массы веществ, используя целочисленные значения относительных атомных масс: $Ar(N) = 14$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$. Для удобства расчетов будем использовать киломоли (кмоль) и килограммы (кг).
Молярная масса нитрата аммония:
$M(NH_4NO_3) = 14 + 4 \cdot 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 80 \text{ кг/кмоль}$.
Молярная масса аммиака:
$M(NH_3) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ кг/кмоль}$.
Молярная масса азотной кислоты:
$M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ кг/кмоль}$.

3. Найдем количество вещества (в киломолях) полученного нитрата аммония:
$n(NH_4NO_3) = \frac{m(NH_4NO_3)}{M(NH_4NO_3)} = \frac{320 \text{ кг}}{80 \text{ кг/кмоль}} = 4 \text{ кмоль}$.

4. Согласно уравнению реакции, стехиометрические коэффициенты перед реагентами и продуктом равны 1. Следовательно, их количества веществ соотносятся как 1:1:1.
$n(NH_3) = n(HNO_3) = n(NH_4NO_3) = 4 \text{ кмоль}$.

Объём аммиака (н. у.)

Для нахождения объёма аммиака (газ) при нормальных условиях (н. у.) используем молярный объём газов $V_m = 22.4 \text{ м³/кмоль}$.
$V(NH_3) = n(NH_3) \cdot V_m = 4 \text{ кмоль} \cdot 22.4 \frac{\text{м³}}{\text{кмоль}} = 89.6 \text{ м³}$.

Ответ: объём аммиака, необходимый для реакции, составляет $89.6 \text{ м³}$ (при н. у.).

Масса 80%-ного раствора азотной кислоты

Сначала вычислим массу чистой азотной кислоты, необходимой для реакции:
$m(HNO_3) = n(HNO_3) \cdot M(HNO_3) = 4 \text{ кмоль} \cdot 63 \frac{\text{кг}}{\text{кмоль}} = 252 \text{ кг}$.
Далее, зная массу чистого вещества и его массовую долю, рассчитаем массу 80%-ного раствора азотной кислоты:
$m_{р-ра}(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{\omega(HNO_3)} = \frac{252 \text{ кг}}{0.80} = 315 \text{ кг}$.

Ответ: масса 80%-ного раствора азотной кислоты, необходимого для реакции, составляет $315 \text{ кг}$.

4. Дополните схему реакции. Расставьте коэффициенты с помощью метода электронного баланса.

$NH_4NO_3 + MnO_2 \to Mn(NO_3)_2 + N_2 + NH_3 + \underline{\hspace{2em}}$

Решение

Для решения задачи необходимо выполнить два шага: сначала дополнить схему реакции, определив недостающий продукт, а затем расставить коэффициенты, используя метод электронного баланса.

1. Дополнение схемы реакции.

В левой части уравнения даны реагенты: нитрат аммония ($NH_4NO_3$) и оксид марганца(IV) ($MnO_2$). В правой части указаны продукты: нитрат марганца(II) ($Mn(NO_3)_2$), азот ($N_2$) и аммиак ($NH_3$).

Проанализируем атомарный состав. В реагентах присутствуют атомы марганца ($Mn$), азота ($N$), водорода ($H$) и кислорода ($O$). В известных продуктах также присутствуют эти атомы. Чтобы уравнение было полным, необходимо учесть все атомы из реагентов. Водород из иона аммония ($NH_4^+$) и кислород из нитрат-иона ($NO_3^−$) и оксида марганца ($MnO_2$) должны образовать еще один продукт. Наиболее вероятным продуктом, состоящим из водорода и кислорода в таких реакциях, является вода ($H_2O$).

Таким образом, полная схема реакции выглядит следующим образом:

$NH_4NO_3 + MnO_2 \rightarrow Mn(NO_3)_2 + N_2 + NH_3 + H_2O$

2. Расстановка коэффициентов методом электронного баланса.

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$ \overset{-3}{N} \overset{+1}{H_4} \overset{+5}{N} \overset{-2}{O_3} + \overset{+4}{Mn} \overset{-2}{O_2} \rightarrow \overset{+2}{Mn} (\overset{+5}{N} \overset{-2}{O_3})_2 + \overset{0}{N_2} + \overset{-3}{N} \overset{+1}{H_3} + \overset{+1}{H_2} \overset{-2}{O} $

Степени окисления изменяют:

• Марганец, который восстанавливается с $Mn^{+4}$ до $Mn^{+2}$.
• Азот из иона аммония, который окисляется с $N^{-3}$ до $N_2^0$.

Составим полуреакции окисления и восстановления:

$Mn^{+4} + 2e^- \rightarrow Mn^{+2}$ | 3 | процесс восстановления, $MnO_2$ – окислитель

$2N^{-3} - 6e^- \rightarrow N_2^0$ | 1 | процесс окисления, $NH_4^+$ – восстановитель

Для баланса электронов умножим первую полуреакцию на 3, а вторую на 1. Это дает нам коэффициенты для веществ, содержащих эти элементы: перед $MnO_2$ и $Mn(NO_3)_2$ ставим коэффициент 3, а перед $N_2$ – коэффициент 1.

$...NH_4NO_3 + 3MnO_2 \rightarrow 3Mn(NO_3)_2 + 1N_2 + ...NH_3 + ...H_2O$

Теперь уравняем остальные элементы:

Азот (N): В правой части уравнения в $3Mn(NO_3)_2$ содержится $3 \cdot 2 = 6$ атомов азота в степени окисления +5. Эти атомы пришли из нитрат-ионов ($NO_3^−$). Значит, в реакцию должно было вступить как минимум 6 нитрат-ионов, а следовательно, 6 молекул $NH_4NO_3$.

Всего в 6 молекулах $NH_4NO_3$ содержится 6 ионов аммония ($NH_4^+$) с азотом в степени окисления -3. Согласно электронному балансу, 2 атома азота $N^{-3}$ окислились до $N_2$. Оставшиеся $6 - 2 = 4$ атома азота $N^{-3}$ должны перейти в аммиак. Следовательно, образуется 4 молекулы $NH_3$.

Подставим найденные коэффициенты:

$6NH_4NO_3 + 3MnO_2 \rightarrow 3Mn(NO_3)_2 + N_2 + 4NH_3 + ...H_2O$

Водород (H): В левой части в $6NH_4NO_3$ содержится $6 \cdot 4 = 24$ атома водорода. В правой части в $4NH_3$ содержится $4 \cdot 3 = 12$ атомов водорода. Оставшиеся $24 - 12 = 12$ атомов водорода входят в состав воды. Для этого требуется 6 молекул $H_2O$.

$6NH_4NO_3 + 3MnO_2 \rightarrow 3Mn(NO_3)_2 + N_2 + 4NH_3 + 6H_2O$

Кислород (O) (для проверки):

Слева: $6 \cdot 3 + 3 \cdot 2 = 18 + 6 = 24$ атома.

Справа: $3 \cdot (3 \cdot 2) + 6 \cdot 1 = 18 + 6 = 24$ атома.

Баланс атомов кислорода соблюдается, следовательно, коэффициенты расставлены верно.

Ответ:

$6NH_4NO_3 + 3MnO_2 \rightarrow 3Mn(NO_3)_2 + N_2 + 4NH_3 + 6H_2O$

Часть I

1. Азот образует пять оксидов. Степень окисления азота в оксидах может быть равна + ____, + ____, + ____, + ____, + ____.

Заполните таблицу.

Оксиды азота

Формула оксида Характер оксида

1. _________________ ______________________________________ оксиды

2. _________________ ______________________________________ оксиды

Формула оксида Характер оксида

3. _________________ ______________________________________ оксиды

4. _________________ ______________________________________ оксиды

5. _________________ ______________________________________ оксиды

Оксиду $N_2O_3$ соответствует ______________ кислота ______________ (формула).

Оксиду $N_2O_5$ соответствует ______________ кислота ______________ (формула).

Азот образует пять оксидов. Степень окисления азота в оксидах может быть равна +[ ], +[ ], +[ ], +[ ], +[ ].

Решение:

Азот образует пять стабильных оксидов. Определим степень окисления (с.о.) азота в каждом из них, зная, что с.о. кислорода в оксидах равна -2, а сумма с.о. всех атомов в нейтральной молекуле равна 0.

Для $N_2O$: $2 \cdot x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +1$. Степень окисления азота +1.

Для $NO$: $x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2$. Степень окисления азота +2.

Для $N_2O_3$: $2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +3$. Степень окисления азота +3.

Для $NO_2$: $x + 2 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +4$. Степень окисления азота +4.

Для $N_2O_5$: $2 \cdot x + 5 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x = +5$. Степень окисления азота +5.

Таким образом, в ряду оксидов азота он проявляет степени окисления от +1 до +5.

Ответ: Степень окисления азота в оксидах может быть равна +1, +2, +3, +4, +5.

Заполните таблицу.

Решение:

Химический характер оксидов зависит от степени окисления образующего их элемента. Оксиды неметаллов в низших степенях окисления (+1, +2) являются несолеобразующими, так как они не образуют солей при взаимодействии с кислотами или основаниями. Оксиды неметаллов в более высоких степенях окисления (как правило, +3 и выше) являются кислотными, так как им соответствуют кислоты, и они реагируют с основаниями с образованием солей.

Применяя это правило к оксидам азота:

• $N_2O$ (с.о. +1) и $NO$ (с.о. +2) относятся к несолеобразующим оксидам.
• $N_2O_3$ (с.о. +3), $NO_2$ (с.о. +4) и $N_2O_5$ (с.о. +5) относятся к кислотным оксидам.

На основании этой классификации заполняется таблица.

Ответ:

Оксиду $N_2O_3$ соответствует ... кислота ... (формула). Оксиду $N_2O_5$ соответствует ... кислота ... (формула).

Решение:

Кислотным оксидам (ангидридам) соответствуют кислоты. Степень окисления кислотообразующего элемента в оксиде и в соответствующей ему кислоте совпадает.

Для оксида азота(III), $N_2O_3$, где степень окисления азота +3, соответствующей кислотой является азотистая кислота. Ее формула $HNO_2$, и степень окисления азота в ней также +3 ($+1 + x + 2 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x=+3$).

Для оксида азота(V), $N_2O_5$, где степень окисления азота +5, соответствующей кислотой является азотная кислота. Ее формула $HNO_3$, и степень окисления азота в ней также +5 ($+1 + x + 3 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow x=+5$).

Ответ: Оксиду $N_2O_3$ соответствует азотистая кислота ($HNO_2$). Оксиду $N_2O_5$ соответствует азотная кислота ($HNO_3$).