Номер 25, страница 78 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

8. Азот, фосфор и их соединения. Упражнения и задачи для самостоятельного решения - номер 25, страница 78.

Условие.

25. Какой объём раствора азотной кислоты с массовой долей 55 % и плотностью $1,34 \text{ г/см}^3$ можно получить из $1 \text{ м}^3$ аммиака, если выход при каталитическом окислении аммиака составляет 98 %, а выход кислоты — 94 %?

Решение.

Решение 2.

Дано:

$V(NH_3) = 1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$

$w(HNO_3) = 55 \% = 0.55$

$\rho_{р-ра} = 1.34 \text{ г/см}^3 = 1340 \text{ г/л}$

$\eta_1(\text{окисления } NH_3) = 98 \% = 0.98$

$\eta_2(\text{кислоты}) = 94 \% = 0.94$

Найти:

$V_{р-ра}(HNO_3) - ?$

Решение:

Процесс получения азотной кислоты из аммиака является многостадийным. Запишем уравнения основных реакций:

1. Каталитическое окисление аммиака до оксида азота(II):
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{\text{Pt/Rh}} 4NO + 6H_2O$

2. Окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV):
$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$

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

Из уравнений реакций видно, что из 4 моль $NH_3$ в итоге образуется 4 моль $HNO_3$. Следовательно, общее молярное соотношение исходного аммиака и конечной азотной кислоты составляет 1:1.

$n_{теор}(NH_3) = n_{теор}(HNO_3)$

Расчет будем проводить в несколько этапов, принимая, что объем аммиака дан при нормальных условиях (н.у.), при которых молярный объем газа $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

1. Найдем количество вещества (моль) аммиака, вступившего в реакцию:
   $n(NH_3) = \frac{V(NH_3)}{V_m} = \frac{1000 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 44.643 \text{ моль}$
2. Рассчитаем общий практический выход продукта. Так как стадии процесса последовательны, общий выход равен произведению выходов на каждой стадии:
   $\eta_{общ} = \eta_1 \times \eta_2 = 0.98 \times 0.94 = 0.9212$
3. Найдем практическое количество вещества азотной кислоты, которое можно получить с учетом выходов:
   $n_{практ}(HNO_3) = n_{теор}(NH_3) \times \eta_{общ} = 44.643 \text{ моль} \times 0.9212 \approx 41.127 \text{ моль}$
4. Вычислим массу полученной чистой азотной кислоты. Молярная масса $HNO_3$ равна $M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \times 16 = 63 \text{ г/моль}$.
   $m(HNO_3) = n_{практ}(HNO_3) \times M(HNO_3) = 41.127 \text{ моль} \times 63 \text{ г/моль} \approx 2591 \text{ г}$
5. Найдем массу 55%-го раствора азотной кислоты, содержащего эту массу чистого вещества:
   $m_{р-ра}(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{w(HNO_3)} = \frac{2591 \text{ г}}{0.55} \approx 4710.9 \text{ г}$
6. Определим объем полученного раствора азотной кислоты, используя его плотность:
   $V_{р-ра}(HNO_3) = \frac{m_{р-ра}(HNO_3)}{\rho_{р-ра}} = \frac{4710.9 \text{ г}}{1.34 \text{ г/см}^3} \approx 3515.6 \text{ см}^3$
   Переведем объем в литры: $3515.6 \text{ см}^3 = 3.5156 \text{ л}$. Округляя до трех значащих цифр, получаем 3.52 л.

Ответ: объем раствора азотной кислоты, который можно получить, составляет примерно $3.52 \text{ л}$.