Номер 29, страница 16 - 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 29, страница 16.

Условие.

29. Рассчитайте объём аммиака, который можно получить в результате синтеза из простых веществ, используя 38,4 $\text{м}^3$ водорода. Учтите, что реакция протекает с выходом 35$\%$. Какая соль образуется при взаимодействии всего полученного аммиака с 20$\%$-ным раствором фосфорной кислоты массой 98 кг? Рассчитайте массовую долю этой соли в полученном растворе.

Решение.

Решение 2.

Дано:

$V(H_2) = 38,4 \text{ м}^3$

$\eta = 35\% = 0,35$

$m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) = 98 \text{ кг}$

$\omega(H_3PO_4) = 20\% = 0,20$

Перевод данных в систему СИ и другие удобные единицы:

$m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) = 98 \text{ кг} = 98000 \text{ г}$

Найти:

$V_{\text{практ}}(NH_3) - ?$

Формула соли - ?

$\omega(\text{соли}) - ?$

Решение:

1. Расчет объема аммиака.

Синтез аммиака из простых веществ (азота и водорода) описывается уравнением реакции:

$N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$

Согласно закону объемных отношений Гей-Люссака, объемы газов в реакции соотносятся как их стехиометрические коэффициенты. Рассчитаем теоретически возможный объем аммиака ($V_{\text{теор}}(NH_3)$), который можно получить из $38,4 \text{ м}^3$ водорода:

$\frac{V(H_2)}{3} = \frac{V_{\text{теор}}(NH_3)}{2}$

$V_{\text{теор}}(NH_3) = \frac{2}{3} \times V(H_2) = \frac{2}{3} \times 38,4 \text{ м}^3 = 25,6 \text{ м}^3$

Практический объем аммиака ($V_{\text{практ}}(NH_3)$) с учетом того, что выход реакции составляет 35%:

$V_{\text{практ}}(NH_3) = V_{\text{теор}}(NH_3) \times \eta = 25,6 \text{ м}^3 \times 0,35 = 8,96 \text{ м}^3$

Ответ: Объем аммиака, который можно получить, составляет $8,96 \text{ м}^3$.

2. Определение соли, образующейся при реакции.

Для определения продукта реакции аммиака с фосфорной кислотой необходимо найти мольное соотношение реагентов. Для этого рассчитаем количество вещества каждого из них.

Количество вещества аммиака (при нормальных условиях, где молярный объем газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль} = 0,0224 \text{ м}^3/\text{моль}$):

$n(NH_3) = \frac{V_{\text{практ}}(NH_3)}{V_m} = \frac{8,96 \text{ м}^3}{0,0224 \text{ м}^3/\text{моль}} = 400 \text{ моль}$

Масса чистой фосфорной кислоты в 98 кг ее 20%-го раствора:

$m(H_3PO_4) = m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) \times \omega(H_3PO_4) = 98000 \text{ г} \times 0,20 = 19600 \text{ г}$

Молярная масса фосфорной кислоты:

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

Количество вещества фосфорной кислоты:

$n(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{M(H_3PO_4)} = \frac{19600 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 200 \text{ моль}$

Найдем мольное соотношение реагентов:

$\frac{n(NH_3)}{n(H_3PO_4)} = \frac{400 \text{ моль}}{200 \text{ моль}} = \frac{2}{1}$

Соотношение 2:1 говорит о том, что реакция идет с образованием гидрофосфата аммония:

$2NH_3 + H_3PO_4 \rightarrow (NH_4)_2HPO_4$

Ответ: При взаимодействии аммиака с фосфорной кислотой образуется гидрофосфат аммония $(NH_4)_2HPO_4$.

3. Расчет массовой доли соли в полученном растворе.

Массовая доля соли ($\omega$) вычисляется как отношение массы соли к массе всего раствора.

Согласно уравнению реакции, из 200 моль фосфорной кислоты образуется 200 моль соли.

$n((NH_4)_2HPO_4) = n(H_3PO_4) = 200 \text{ моль}$

Рассчитаем молярную массу гидрофосфата аммония:

$M((NH_4)_2HPO_4) = 2 \times (14 + 4 \times 1) + 1 + 31 + 4 \times 16 = 132 \text{ г/моль}$

Найдем массу образовавшейся соли:

$m((NH_4)_2HPO_4) = n((NH_4)_2HPO_4) \times M((NH_4)_2HPO_4) = 200 \text{ моль} \times 132 \text{ г/моль} = 26400 \text{ г}$

Масса конечного раствора равна сумме масс исходного раствора фосфорной кислоты и прореагировавшего аммиака. Рассчитаем массу аммиака:

$M(NH_3) = 14 + 3 \times 1 = 17 \text{ г/моль}$

$m(NH_3) = n(NH_3) \times M(NH_3) = 400 \text{ моль} \times 17 \text{ г/моль} = 6800 \text{ г}$

Масса конечного раствора:

$m_{\text{конечн. р-ра}} = m_{\text{р-ра}}(H_3PO_4) + m(NH_3) = 98000 \text{ г} + 6800 \text{ г} = 104800 \text{ г}$

Рассчитаем массовую долю соли в конечном растворе:

$\omega((NH_4)_2HPO_4) = \frac{m((NH_4)_2HPO_4)}{m_{\text{конечн. р-ра}}} \times 100\% = \frac{26400 \text{ г}}{104800 \text{ г}} \times 100\% \approx 25,19\%$

Ответ: Массовая доля гидрофосфата аммония в полученном растворе составляет приблизительно 25,19%.