Номер 25, страница 15 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

Упражнения и задачи для самостоятельного решения. 2. Задачи на примеси и практический выход реакции - номер 25, страница 15.

Условие.

25. Составьте уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$NH_3 \rightarrow NO \rightarrow NO_2 \rightarrow HNO_3$

Какую массу 60%-ного раствора азотной кислоты можно получить в ходе этого трёхстадийного синтеза из 200 $м^3$ аммиака, если практический выход реакции окисления аммиака составляет 80%, а выход на других стадиях равен 90%?

Решение.

Решение 2.

Составьте уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

Данная технологическая цепочка описывает промышленный способ получения азотной кислоты (метод Оствальда) и состоит из трех стадий:

1. Каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха на платино-родиевом катализаторе при нагревании:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt/Rh, t°} 4NO + 6H_2O$

2. Окисление полученного оксида азота(II) до оксида азота(IV) кислородом воздуха при охлаждении:
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

3. Поглощение оксида азота(IV) водой в присутствии кислорода с образованием азотной кислоты:
$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Какую массу 60%-ного раствора азотной кислоты можно получить в ходе этого трёхстадийного синтеза из 200 м³ аммиака, если практический выход реакции окисления аммиака составляет 80%, а выход на других стадиях равен 90%?

Дано:

$V(NH_3) = 200 \text{ м}^3$
$\omega(HNO_3) = 60\%$
$\eta_1 = 80\%$
$\eta_2 = 90\%$
$\eta_3 = 90\%$

Будем считать, что объем газа дан при нормальных условиях (н.у.). Молярный объем газа при н.у. $V_m = 22,4 \text{ м}^3/\text{кмоль}$. Переведем процентные величины в доли для использования в расчетах:

$\omega(HNO_3) = 0,60$
$\eta_1 = 0,80$
$\eta_2 = 0,90$
$\eta_3 = 0,90$

Найти:

$m_{\text{раствора}}(HNO_3) - ?$

Решение:

1. Из уравнений реакций видно, что из 4 моль $NH_3$ в конечном итоге образуется 4 моль $HNO_3$.
$4NH_3 \rightarrow 4NO \rightarrow 4NO_2 \rightarrow 4HNO_3$
Таким образом, теоретическое мольное соотношение $n(NH_3) : n(HNO_3) = 1:1$.

2. Найдем количество вещества (в киломолях) аммиака, взятого для синтеза.
$n(NH_3) = \frac{V(NH_3)}{V_m} = \frac{200 \text{ м}^3}{22,4 \text{ м}^3/\text{кмоль}} \approx 8,9286 \text{ кмоль}$

3. Рассчитаем общий практический выход продукта по всей технологической цепочке. Он равен произведению выходов на каждой стадии.
$\eta_{\text{общ}} = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \eta_3 = 0,80 \cdot 0,90 \cdot 0,90 = 0,648$

4. Вычислим практическое количество вещества азотной кислоты, которое будет получено с учетом общего выхода.
$n_{\text{практ}}(HNO_3) = n(NH_3) \cdot \eta_{\text{общ}} \approx 8,9286 \text{ кмоль} \cdot 0,648 \approx 5,7857 \text{ кмоль}$

5. Найдем массу чистой (100%) азотной кислоты. Для этого вычислим ее молярную массу.
$M(HNO_3) = M(H) + M(N) + 3 \cdot M(O) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль} = 63 \text{ кг/кмоль}$
$m_{\text{вещества}}(HNO_3) = n_{\text{практ}}(HNO_3) \cdot M(HNO_3) \approx 5,7857 \text{ кмоль} \cdot 63 \text{ кг/кмоль} \approx 364,5 \text{ кг}$

6. Рассчитаем массу 60%-го раствора азотной кислоты.
$m_{\text{раствора}}(HNO_3) = \frac{m_{\text{вещества}}(HNO_3)}{\omega(HNO_3)} = \frac{364,5 \text{ кг}}{0,60} = 607,5 \text{ кг}$

Ответ: можно получить 607,5 кг 60%-ного раствора азотной кислоты.