Номер 539, страница 120 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

539. Из бензола массой 11,7 г по схеме:

$C_6H_6 \xrightarrow{Br_2, FeBr_3} \dots \xrightarrow{KOH (изб.), t, p} \dots \xrightarrow{HCl} \dots$

получили 6,77 г фенола. Определите выход продукта реакции на первой стадии, если суммарные потери на второй и третьей стадиях процесса составили 20 %.

Дано:

$m(C_6H_6) = 11,7$ г

$m_{практ}(C_6H_5OH) = 6,77$ г

Суммарные потери на 2 и 3 стадиях = 20 %

Найти:

$\eta_1$ - ?

Решение:

Процесс получения фенола из бензола проходит в три стадии. Запишем уравнения реакций:

1. Бромирование бензола в присутствии катализатора (бромида железа(III)):

$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

2. Щелочной гидролиз бромбензола при высокой температуре и давлении с образованием фенолята калия:

$C_6H_5Br + 2KOH \xrightarrow{t, p} C_6H_5OK + KBr + H_2O$

3. Выделение фенола из его соли действием сильной кислоты (соляной):

$C_6H_5OK + HCl \rightarrow C_6H_5OH + KCl$

Для решения задачи будем проводить расчеты в обратном порядке, от конечного продукта к исходному веществу.

1. Определим суммарный выход продукта на второй и третьей стадиях ($\eta_{2+3}$). Если суммарные потери составили 20 %, то выход равен:

$\eta_{2+3} = 100\% - 20\% = 80\%$ или $0,8$

2. Рассчитаем молярные массы бензола и фенола, используя целочисленные атомные массы: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(O)=16$.

$M(C_6H_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78$ г/моль

$M(C_6H_5OH) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 16 + 1 = 94$ г/моль

3. Найдем количество вещества (в молях) практически полученного фенола:

$n_{практ}(C_6H_5OH) = \frac{m_{практ}(C_6H_5OH)}{M(C_6H_5OH)} = \frac{6,77 \text{ г}}{94 \text{ г/моль}} \approx 0,072$ моль

4. Количество полученного фенола составляет 80 % от того количества, которое могло бы образоваться из бромбензола на стадиях 2 и 3. Исходя из стехиометрии реакций (2) и (3), из 1 моль $C_6H_5Br$ образуется 1 моль $C_6H_5OH$. Таким образом, мы можем найти практическое количество бромбензола, полученного на первой стадии:

$n_{практ}(C_6H_5Br) = \frac{n_{практ}(C_6H_5OH)}{\eta_{2+3}} = \frac{0,072 \text{ моль}}{0,8} = 0,09$ моль

5. Теперь рассчитаем, какое количество бромбензола могло бы получиться теоретически из исходного количества бензола. Сначала найдем количество вещества бензола:

$n(C_6H_6) = \frac{m(C_6H_6)}{M(C_6H_6)} = \frac{11,7 \text{ г}}{78 \text{ г/моль}} = 0,15$ моль

6. Согласно уравнению реакции (1), из 1 моль бензола теоретически образуется 1 моль бромбензола. Следовательно, теоретически возможное количество бромбензола:

$n_{теор}(C_6H_5Br) = n(C_6H_6) = 0,15$ моль

7. Наконец, определим выход продукта на первой стадии ($\eta_1$), как отношение практически полученного количества бромбензола к теоретически возможному:

$\eta_1 = \frac{n_{практ}(C_6H_5Br)}{n_{теор}(C_6H_5Br)} \cdot 100\% = \frac{0,09 \text{ моль}}{0,15 \text{ моль}} \cdot 100\% = 0,6 \cdot 100\% = 60\%$

Ответ: выход продукта реакции на первой стадии составляет 60 %.