Номер 808, страница 189 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

808. Вычислите массу органического соединения, полученного с выходом 80 % при нитровании целлюлозы массой 81 г избытком азотной кислоты.

Дано:

$m(\text{целлюлозы}) = 81 \text{ г}$

$\eta = 80 \% = 0.8$

Азотная кислота ($HNO_3$) в избытке.

Найти:

$m(\text{органического соединения}) - ?$

Решение:

1. Напишем уравнение реакции нитрования целлюлозы избытком азотной кислоты. Целлюлоза является полимером, формула ее мономерного звена $(C_6H_{10}O_5)_n$ или, для отражения реакционноспособных групп, $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$. При нитровании избытком азотной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты все три гидроксогруппы в каждом звене этерифицируются, образуя тринитрат целлюлозы (тринитроцеллюлозу).

Уравнение реакции для одного мономерного звена:

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3n H_2O$

Для стехиометрических расчетов мы можем опустить индекс $n$ и работать с молярными массами элементарных звеньев.

2. Рассчитаем молярные массы элементарных звеньев целлюлозы ($C_6H_{10}O_5$) и тринитроцеллюлозы ($C_6H_7N_3O_{11}$).

Молярная масса звена целлюлозы:

$M(C_6H_{10}O_5) = 6 \cdot Ar(C) + 10 \cdot Ar(H) + 5 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 10 \cdot 1 + 5 \cdot 16 = 162 \text{ г/моль}$

Молярная масса звена тринитроцеллюлозы:

$M(C_6H_7N_3O_{11}) = 6 \cdot Ar(C) + 7 \cdot Ar(H) + 3 \cdot Ar(N) + 11 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 7 \cdot 1 + 3 \cdot 14 + 11 \cdot 16 = 72 + 7 + 42 + 176 = 297 \text{ г/моль}$

3. Вычислим количество вещества (в молях элементарных звеньев) целлюлозы массой 81 г.

$\nu(C_6H_{10}O_5) = \frac{m(C_6H_{10}O_5)}{M(C_6H_{10}O_5)} = \frac{81 \text{ г}}{162 \text{ г/моль}} = 0.5 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, из 1 моль звеньев целлюлозы теоретически образуется 1 моль звеньев тринитроцеллюлозы. Следовательно, теоретическое количество вещества продукта реакции равно:

$\nu_{\text{теор.}}(C_6H_7N_3O_{11}) = \nu(C_6H_{10}O_5) = 0.5 \text{ моль}$

5. Найдем теоретическую массу тринитроцеллюлозы ($m_{\text{теор.}}$), которая могла бы быть получена при 100% выходе.

$m_{\text{теор.}} = \nu_{\text{теор.}} \cdot M(C_6H_7N_3O_{11}) = 0.5 \text{ моль} \cdot 297 \text{ г/моль} = 148.5 \text{ г}$

6. Рассчитаем практическую массу полученного органического соединения ($m_{\text{практ.}}$) с учетом того, что выход реакции составляет 80%.

$m_{\text{практ.}} = m_{\text{теор.}} \cdot \eta = 148.5 \text{ г} \cdot 0.80 = 118.8 \text{ г}$

Ответ: масса полученного органического соединения составляет 118,8 г.