Номер 304, страница 77 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

304. Осуществите цепочку превращений:

$C_2H_4 \xrightarrow{+H_2O/H_2SO_4} X \xrightarrow{ZnO/Al_2O_3/t \\ -H_2O, -H_2} Y.$

Какой объем (н. у.) этилена потребуется для получения 56 дм$^3$ (н. у.) вещества Y по указанной схеме превращений, если выход продукта реакции на первой стадии равен 75 %, а на второй стадии потери составили 40 %?

Осуществите цепочку превращений:

1. Первая стадия — это гидратация этилена в присутствии серной кислоты как катализатора. В результате реакции образуется этанол (вещество X).

$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_2H_5OH$

Таким образом, вещество X — это этанол, $C_2H_5OH$.

2. Вторая стадия — это синтез бутадиена-1,3 из этанола по методу Лебедева. Происходит одновременно дегидратация (отщепление воды) и дегидрирование (отщепление водорода) двух молекул этанола. Вещество Y — бутадиен-1,3.

$2C_2H_5OH \xrightarrow{ZnO/Al_2O_3, \approx 425^\circ C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

Таким образом, вещество Y — это бутадиен-1,3 (или дивинил), $C_4H_6$.

Ответ: Уравнения реакций, составляющих цепочку превращений:
$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_2H_5OH$
$2C_2H_5OH \xrightarrow{ZnO/Al_2O_3, t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

Какой объем (н. у.) этилена потребуется для получения 56 дм³ (н. у.) вещества Y по указанной схеме превращений, если выход продукта реакции на первой стадии равен 75 %, а на второй стадии потери составили 40 %?

Дано:
$V_{практ}(C_4H_6) = 56 \text{ дм}^3$
$\eta_1 = 75\%$
Потери на второй стадии = $40\%$
Условия: н. у. (нормальные условия)

$V_{практ}(C_4H_6) = 56 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.056 \text{ м}^3$
$\eta_1 = 0.75$
Потери на второй стадии = $0.40$

Найти:
$V(C_2H_4) - ?$

Решение:

1. Определим выход продукта ($\eta_2$) на второй стадии. Если потери составили 40 %, то выход равен:

$\eta_2 = 100\% - 40\% = 60\% = 0.60$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) практически полученного бутадиена-1,3 ($C_4H_6$), зная, что молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m$) составляет $22.4 \text{ дм³/моль}$:

$n_{практ}(C_4H_6) = \frac{V_{практ}(C_4H_6)}{V_m} = \frac{56 \text{ дм}^3}{22.4 \text{ дм³/моль}} = 2.5 \text{ моль}$

3. Рассчитаем количество вещества этанола ($C_2H_5OH$), которое вступило в реакцию на второй стадии. Это количество является практическим выходом этанола с первой стадии. Для этого сначала найдем теоретическое количество бутадиена, которое могло бы получиться из этого этанола:

$n_{теор}(C_4H_6) = \frac{n_{практ}(C_4H_6)}{\eta_2} = \frac{2.5 \text{ моль}}{0.60}$

Согласно уравнению реакции $2C_2H_5OH \rightarrow C_4H_6 + 2H_2O + H_2$, на 1 моль бутадиена расходуется 2 моль этанола. Следовательно, количество практически полученного этанола на первой стадии:

$n_{практ}(C_2H_5OH) = 2 \cdot n_{теор}(C_4H_6) = 2 \cdot \frac{2.5 \text{ моль}}{0.60} = \frac{5}{0.60} \text{ моль} \approx 8.333 \text{ моль}$

4. Зная практический выход этанола ($n_{практ}(C_2H_5OH)$) и выход первой реакции ($\eta_1 = 75\% = 0.75$), найдем теоретическое количество этанола. Это количество должно было получиться из исходного этилена.

$n_{теор}(C_2H_5OH) = \frac{n_{практ}(C_2H_5OH)}{\eta_1} = \frac{5/0.60 \text{ моль}}{0.75} = \frac{5}{0.60 \cdot 0.75} = \frac{5}{0.45} \text{ моль} \approx 11.111 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению первой реакции $C_2H_4 + H_2O \rightarrow C_2H_5OH$, количество вещества этилена ($C_2H_4$) равно теоретическому количеству вещества этанола:

$n(C_2H_4) = n_{теор}(C_2H_5OH) = \frac{5}{0.45} \text{ моль}$

6. Найдем объем этилена, который требуется для реакции:

$V(C_2H_4) = n(C_2H_4) \cdot V_m = \frac{5}{0.45} \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ дм³/моль} \approx 11.111 \cdot 22.4 \text{ дм³} \approx 248.89 \text{ дм³}$

Округляя результат до целого числа, получаем 249 дм³.

Ответ: $V(C_2H_4) \approx 249 \text{ дм³}$.