Номер 347, страница 85 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

347. Осуществите цепочку превращений:

$\text{CaO} \xrightarrow{\text{+C, } t} \dots \xrightarrow{\text{+H}_2\text{O}} \text{A (1 моль)} \xrightarrow{\text{+1 моль HCl}} \text{Б.}$

Какую массу образца оксида кальция необходимо взять для получения вещества Б массой 12,5 г, если общий выход процесса составляет 60 %, а образец оксида кальция содержит 10 % инертных примесей?

Осуществите цепочку превращений:

1. Реакция оксида кальция с углем при высокой температуре с образованием карбида кальция:

$$ \mathrm{CaO} + 3\mathrm{C} \xrightarrow{t} \mathrm{CaC}_2 + \mathrm{CO}\uparrow $$

2. Гидролиз карбида кальция с получением ацетилена (вещество А):

$$ \mathrm{CaC}_2 + 2\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{C}_2\mathrm{H}_2\uparrow + \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2 $$

Таким образом, вещество А - это ацетилен $ \mathrm{C}_2\mathrm{H}_2 $.

3. Присоединение хлороводорода к ацетилену (в мольном соотношении 1:1) с образованием винилхлорида (вещество Б):

$$ \mathrm{C}_2\mathrm{H}_2 + \mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl} $$

Таким образом, вещество Б - это винилхлорид (хлорэтен) $ \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl} $.

Какую массу образца оксида кальция необходимо взять для получения вещества Б массой 12,5 г, если общий выход процесса составляет 60 %, а образец оксида кальция содержит 10 % инертных примесей?

Дано:

$m(\text{Б}) = m(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = 12,5 \text{ г}$
$\eta_{\text{общ}} = 60 \%$
$\omega(\text{примесей в } \mathrm{CaO}) = 10 \%$

$m(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = 0,0125 \text{ кг}$
$\eta_{\text{общ}} = 0,6$
$\omega(\text{примесей в } \mathrm{CaO}) = 0,1$

Найти:

$m_{\text{обр}}(\mathrm{CaO}) - ?$

Решение:

1. Составим общую стехиометрическую схему процесса:

$$ \mathrm{CaO} \rightarrow \mathrm{CaC}_2 \rightarrow \mathrm{C}_2\mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl} $$

Из уравнений реакций следует, что из 1 моль $ \mathrm{CaO} $ теоретически образуется 1 моль $ \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl} $. Следовательно, их теоретические количества вещества равны:

$$ n_{\text{теор}}(\mathrm{CaO}) = n_{\text{теор}}(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) $$

2. Рассчитаем молярные массы оксида кальция и винилхлорида:

$$ M(\mathrm{CaO}) = 40 + 16 = 56 \text{ г/моль} $$

$$ M(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = 2 \cdot 12 + 3 \cdot 1 + 35,5 = 62,5 \text{ г/моль} $$

3. Найдем практическое количество вещества винилхлорида (вещества Б), полученного в результате реакций:

$$ n_{\text{практ}}(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = \frac{m(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl})}{M(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl})} = \frac{12,5 \text{ г}}{62,5 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль} $$

4. Учитывая общий выход процесса, рассчитаем теоретическое количество вещества винилхлорида, которое должно было получиться:

$$ n_{\text{теор}}(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = \frac{n_{\text{практ}}(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl})}{\eta_{\text{общ}}} = \frac{0,2 \text{ моль}}{0,6} = \frac{1}{3} \text{ моль} $$

5. Согласно стехиометрии, теоретическое количество оксида кальция, необходимое для реакции, равно теоретическому количеству продукта:

$$ n(\text{чист. } \mathrm{CaO}) = n_{\text{теор}}(\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}) = \frac{1}{3} \text{ моль} $$

6. Вычислим массу чистого оксида кальция, которая требуется для получения данного количества продукта:

$$ m(\text{чист. } \mathrm{CaO}) = n(\text{чист. } \mathrm{CaO}) \cdot M(\mathrm{CaO}) = \frac{1}{3} \text{ моль} \cdot 56 \text{ г/моль} = \frac{56}{3} \text{ г} \approx 18,67 \text{ г} $$

7. Рассчитаем массу образца оксида кальция с учетом содержания 10% инертных примесей. Массовая доля чистого $ \mathrm{CaO} $ в образце составляет:

$$ \omega(\text{чист. } \mathrm{CaO}) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 10\% = 90\% = 0,9 $$

Масса образца вычисляется по формуле:

$$ m_{\text{обр}}(\mathrm{CaO}) = \frac{m(\text{чист. } \mathrm{CaO})}{\omega(\text{чист. } \mathrm{CaO})} = \frac{56/3 \text{ г}}{0,9} = \frac{56}{3 \cdot 0,9} = \frac{56}{2,7} \approx 20,74 \text{ г} $$

Ответ: необходимо взять образец оксида кальция массой 20,74 г.