Номер 305, страница 77 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

305. Смесь, состоящую из бутена-1 и паров 2-хлорбутана, сожгли в кислороде. Продукты полного сгорания охладили до температуры $20°C$. Жидкость объемом $34,2 \text{ см}^3$ с плотностью $1,1 \text{ г/см}^3$, образовавшуюся в результате конденсации продуктов горения, добавили к раствору гидрокарбоната калия, взятому в избытке. В результате выделился газ объемом $4,48 \text{ дм}^3$ (н. у.). Вычислите объем (н. у.) кислорода, вступившего в реакцию в условиях опыта.

Дано:

Смесь: бутен-1 ($C_4H_8$) и 2-хлорбутан ($C_4H_9Cl$)

$V_{жидкости} = 34,2 \text{ см}^3$

$\rho_{жидкости} = 1,1 \text{ г/см}^3$

$V_{газа}(CO_2) = 4,48 \text{ дм}^3$ (н. у.)

Найти:

$V(O_2)$ (н. у.) — ?

Решение:

1. Запишем уравнения реакций полного сгорания компонентов смеси в кислороде:

Сгорание бутена-1:

$C_4H_8 + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 4H_2O$ (1)

Сгорание 2-хлорбутана:

$C_4H_9Cl + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 4H_2O + HCl$ (2)

2. Продукты сгорания охлаждают до 20°C. При этой температуре вода находится в жидком состоянии, а газообразный хлороводород ($HCl$) хорошо растворяется в воде, образуя соляную кислоту. Таким образом, образовавшаяся жидкость — это водный раствор соляной кислоты.

3. При добавлении этого раствора к избытку гидрокарбоната калия ($KHCO_3$) происходит реакция, в результате которой выделяется углекислый газ:

$HCl + KHCO_3 \rightarrow KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$ (3)

4. Найдем количество вещества выделившегося углекислого газа, используя молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$):

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{4,48 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,2 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции (3), количество вещества соляной кислоты равно количеству вещества выделившегося углекислого газа:

$n(HCl) = n(CO_2) = 0,2 \text{ моль}$

6. Весь хлороводород образовался в результате сгорания 2-хлорбутана (реакция 2). Из стехиометрии реакции (2) следует, что количество вещества 2-хлорбутана равно количеству вещества образовавшегося $HCl$:

$n(C_4H_9Cl) = n(HCl) = 0,2 \text{ моль}$

7. Теперь определим состав сконденсировавшейся жидкости. Найдем ее массу:

$m_{жидкости} = \rho_{жидкости} \times V_{жидкости} = 1,1 \text{ г/см}^3 \times 34,2 \text{ см}^3 = 37,62 \text{ г}$

Эта масса складывается из массы воды ($H_2O$) и массы растворенного хлороводорода ($HCl$). Найдем массу $HCl$ в растворе (молярная масса $M(HCl) = 36,5 \text{ г/моль}$):

$m(HCl) = n(HCl) \times M(HCl) = 0,2 \text{ моль} \times 36,5 \text{ г/моль} = 7,3 \text{ г}$

Найдем массу воды:

$m(H_2O) = m_{жидкости} - m(HCl) = 37,62 \text{ г} - 7,3 \text{ г} = 30,32 \text{ г}$

8. Найдем общее количество вещества воды, образовавшейся в реакциях сгорания (молярная масса $M(H_2O) = 18 \text{ г/моль}$):

$n_{общ}(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{30,32 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = \frac{30,32}{18} \text{ моль} \approx 1,6844 \text{ моль}$

9. Эта вода образовалась из двух источников. Найдем количество воды, полученной при сгорании 2-хлорбутана (уравнение 2):

$n_2(H_2O) = 4 \times n(C_4H_9Cl) = 4 \times 0,2 \text{ моль} = 0,8 \text{ моль}$

10. Количество воды, полученной при сгорании бутена-1, равно разности:

$n_1(H_2O) = n_{общ}(H_2O) - n_2(H_2O) = \frac{30,32}{18} \text{ моль} - 0,8 \text{ моль} = \frac{30,32 - 14,4}{18} \text{ моль} = \frac{15,92}{18} \text{ моль}$

11. По уравнению (1) найдем количество вещества сгоревшего бутена-1:

$n(C_4H_8) = \frac{1}{4} n_1(H_2O) = \frac{1}{4} \times \frac{15,92}{18} \text{ моль} = \frac{15,92}{72} \text{ моль}$

12. Рассчитаем общее количество вещества кислорода, вступившего в реакцию. Оно равно сумме количеств кислорода, затраченного на сгорание бутена-1 и 2-хлорбутана.

Кислород для сгорания бутена-1 (уравнение 1):

$n_1(O_2) = 6 \times n(C_4H_8) = 6 \times \frac{15,92}{72} \text{ моль} = \frac{15,92}{12} \text{ моль}$

Кислород для сгорания 2-хлорбутана (уравнение 2):

$n_2(O_2) = 6 \times n(C_4H_9Cl) = 6 \times 0,2 \text{ моль} = 1,2 \text{ моль}$

Общее количество вещества кислорода:

$n_{общ}(O_2) = n_1(O_2) + n_2(O_2) = \frac{15,92}{12} \text{ моль} + 1,2 \text{ моль} = \frac{15,92 + 1,2 \times 12}{12} \text{ моль} = \frac{15,92 + 14,4}{12} \text{ моль} = \frac{30,32}{12} \text{ моль}$

13. Вычислим искомый объем кислорода (н. у.):

$V(O_2) = n_{общ}(O_2) \times V_m = \frac{30,32}{12} \text{ моль} \times 22,4 \frac{\text{дм}^3}{\text{моль}} \approx 56,6 \text{ дм}^3$

Ответ: объем кислорода, вступившего в реакцию, равен 56,6 дм³.