Номер 673, страница 148 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

673. Метанол массой 6,0 г подвергли каталитическому окислению. При этом образовалась смесь веществ, не содержащая $CO_2$. Известно, что полученная смесь с избытком аммиачного раствора оксида серебра образует 43,2 г осадка. При взаимодействии такого же количества смеси с гидрокарбонатом натрия выделяется газ объемом $2,24 \text{ дм}^3$ (н. у.). Рассчитайте, сколько процентов метанола не подверглось окислению.

Дано:

$m(\text{CH}_3\text{OH})_{\text{исх}} = 6,0 \text{ г}$
$m(\text{осадка}) = m(\text{Ag}) = 43,2 \text{ г}$
$V(\text{газа}) = 2,24 \text{ дм}^3 \text{ (н. у.)}$

Найти:

$\omega(\text{CH}_3\text{OH})_{\text{непрореаг}} - ?$

Решение:

При каталитическом окислении метанола образуются формальдегид и муравьиная кислота. Так как окисление было неполным, в конечной смеси также присутствует непрореагировавший метанол. Условие, что смесь не содержит $CO_2$, подтверждает, что продукты окисления — это $HCHO$ и $HCOOH$.

Состав конечной смеси: $CH_3OH$ (остаток), $HCHO$ (формальдегид), $HCOOH$ (муравьиная кислота).

1. Определим количество вещества муравьиной кислоты в смеси.
При взаимодействии смеси с гидрокарбонатом натрия ($NaHCO_3$) реагирует только муравьиная кислота с выделением углекислого газа:
$HCOOH + NaHCO_3 \rightarrow HCOONa + H_2O + CO_2\uparrow$
Найдем количество вещества выделившегося $CO_2$:
$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,1 \text{ моль}$
Согласно уравнению реакции, количество вещества муравьиной кислоты равно количеству вещества углекислого газа:
$n(HCOOH) = n(CO_2) = 0,1 \text{ моль}$

2. Определим количество вещества формальдегида в смеси.
При взаимодействии смеси с избытком аммиачного раствора оксида серебра (реактивом Толленса) в реакцию вступают и формальдегид, и муравьиная кислота, образуя в качестве осадка металлическое серебро ($Ag$).
Реакция для муравьиной кислоты:
$HCOOH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow (NH_4)_2CO_3 + 2Ag\downarrow + 2NH_3 + H_2O$
Реакция для формальдегида:
$HCHO + 4[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow (NH_4)_2CO_3 + 4Ag\downarrow + 6NH_3 + 2H_2O$
Найдем общее количество вещества серебра, выпавшего в осадок:
$M(Ag) = 108 \text{ г/моль}$
$n_{\text{общ}}(Ag) = \frac{m(Ag)}{M(Ag)} = \frac{43,2 \text{ г}}{108 \text{ г/моль}} = 0,4 \text{ моль}$
Рассчитаем количество вещества серебра, которое образовалось при окислении муравьиной кислоты:
$n(Ag)_{\text{из HCOOH}} = 2 \cdot n(HCOOH) = 2 \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$
Теперь можем найти количество вещества серебра, которое образовалось из формальдегида:
$n(Ag)_{\text{из HCHO}} = n_{\text{общ}}(Ag) - n(Ag)_{\text{из HCOOH}} = 0,4 \text{ моль} - 0,2 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$
Находим количество вещества формальдегида:
$n(HCHO) = \frac{1}{4} \cdot n(Ag)_{\text{из HCHO}} = \frac{1}{4} \cdot 0,2 \text{ моль} = 0,05 \text{ моль}$

3. Рассчитаем, сколько метанола прореагировало.
Формальдегид и муравьиная кислота образуются из метанола по схемам:
$CH_3OH \rightarrow HCHO$
$CH_3OH \rightarrow HCOOH$
В обоих случаях соотношение молей 1:1.
Общее количество вещества прореагировавшего метанола равно сумме количеств веществ образовавшихся продуктов:
$n_{\text{прореаг}}(CH_3OH) = n(HCOOH) + n(HCHO) = 0,1 \text{ моль} + 0,05 \text{ моль} = 0,15 \text{ моль}$

4. Рассчитаем процент непрореагировавшего метанола.
Найдем исходное количество вещества метанола:
$M(CH_3OH) = 12 + 4 \cdot 1 + 16 = 32 \text{ г/моль}$
$n_{\text{исх}}(CH_3OH) = \frac{m(CH_3OH)}{M(CH_3OH)} = \frac{6,0 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 0,1875 \text{ моль}$
Найдем количество вещества непрореагировавшего метанола:
$n_{\text{непрореаг}}(CH_3OH) = n_{\text{исх}}(CH_3OH) - n_{\text{прореаг}}(CH_3OH) = 0,1875 \text{ моль} - 0,15 \text{ моль} = 0,0375 \text{ моль}$
Рассчитаем долю (в процентах) непрореагировавшего метанола от исходного количества:
$\omega(\text{CH}_3\text{OH})_{\text{непрореаг}} = \frac{n_{\text{непрореаг}}(CH_3OH)}{n_{\text{исх}}(CH_3OH)} \cdot 100\% = \frac{0,0375 \text{ моль}}{0,1875 \text{ моль}} \cdot 100\% = 0,2 \cdot 100\% = 20\%$

Ответ: 20% метанола не подверглось окислению.