Номер 1068, страница 170 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1068. *Составьте уравнение химической реакции между медью и азотной кислотой, в которой образуется газ с относительной плотностью по водороду 17.

Дано:

Реакция между медью ($Cu$) и азотной кислотой ($HNO_3$).

Относительная плотность образующегося газа по водороду $D_{H_2}(\text{газ}) = 17$.

Найти:

Уравнение химической реакции.

Решение:

1. Первым шагом определим молярную массу газа, который образуется в ходе реакции. Относительная плотность газа по водороду ($D_{H_2}$) связана с молярными массами газа ($M(\text{газ})$) и водорода ($M(H_2)$) следующим соотношением:

$D_{H_2}(\text{газ}) = \frac{M(\text{газ})}{M(H_2)}$

Молярная масса водорода $M(H_2) \approx 2$ г/моль. Используя данные из условия, найдем молярную массу неизвестного газа:

$M(\text{газ}) = D_{H_2}(\text{газ}) \cdot M(H_2) = 17 \cdot 2 \text{ г/моль} = 34 \text{ г/моль}$

2. Далее рассмотрим, какие газы могут образовываться при реакции меди с азотной кислотой. В зависимости от концентрации кислоты и условий реакции, азотная кислота может восстанавливаться до различных оксидов азота или азота:

• Оксид азота(IV) ($NO_2$), $M(NO_2) = 14 + 2 \cdot 16 = 46$ г/моль.
• Оксид азота(II) ($NO$), $M(NO) = 14 + 16 = 30$ г/моль.
• Оксид азота(I) ($N_2O$), $M(N_2O) = 2 \cdot 14 + 16 = 44$ г/моль.
• Азот ($N_2$), $M(N_2) = 2 \cdot 14 = 28$ г/моль.

Ни один из этих газов не имеет молярную массу 34 г/моль. Это означает, что в результате реакции образуется не одно вещество, а смесь газов. Средняя молярная масса этой смеси равна 34 г/моль.

3. Определим состав газовой смеси. Средняя молярная масса смеси (34 г/моль) находится между молярными массами $NO$ (30 г/моль) и $N_2O$ (44 г/моль). Следовательно, газовая смесь состоит именно из этих двух оксидов.

Найдем их мольное соотношение в смеси. Пусть $x$ — мольная доля $NO$, тогда $(1-x)$ — мольная доля $N_2O$.

$M_{смеси} = x \cdot M(NO) + (1-x) \cdot M(N_2O)$

$34 = x \cdot 30 + (1-x) \cdot 44$

$34 = 30x + 44 - 44x$

$14x = 10$

$x = \frac{10}{14} = \frac{5}{7}$

Таким образом, мольная доля $NO$ в смеси составляет 5/7, а мольная доля $N_2O$ составляет $1 - 5/7 = 2/7$. Мольное соотношение газов $NO : N_2O = 5 : 2$.

4. Составим суммарное уравнение реакции. Для этого запишем уравнения реакций, в которых образуются $NO$ и $N_2O$, а затем сложим их так, чтобы соотношение молей продуктов было $5:2$.

Реакция с образованием $NO$:

$3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$

Реакция с образованием $N_2O$:

$4Cu + 10HNO_3 \rightarrow 4Cu(NO_3)_2 + N_2O + 5H_2O$

Чтобы получить соотношение $NO : N_2O = 5 : 2$, нужно получить 10 моль $NO$ и 2 моль $N_2O$ (или любое другое количество в той же пропорции). Умножим первое уравнение на 5, а второе на 2:

1) $5 \times (3Cu + 8HNO_3 \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O)$

$15Cu + 40HNO_3 \rightarrow 15Cu(NO_3)_2 + 10NO + 20H_2O$

2) $2 \times (4Cu + 10HNO_3 \rightarrow 4Cu(NO_3)_2 + N_2O + 5H_2O)$

$8Cu + 20HNO_3 \rightarrow 8Cu(NO_3)_2 + 2N_2O + 10H_2O$

Теперь сложим полученные уравнения:

$(15+8)Cu + (40+20)HNO_3 \rightarrow (15+8)Cu(NO_3)_2 + 10NO + 2N_2O + (20+10)H_2O$

Итоговое уравнение реакции:

$23Cu + 60HNO_3 \rightarrow 23Cu(NO_3)_2 + 10NO + 2N_2O + 30H_2O$

Проверим баланс атомов в итоговом уравнении:

• Cu: слева 23, справа 23
• H: слева 60, справа $30 \cdot 2 = 60$
• N: слева 60, справа $23 \cdot 2 + 10 + 2 \cdot 2 = 46 + 10 + 4 = 60$
• O: слева $60 \cdot 3 = 180$, справа $23 \cdot 6 + 10 + 2 + 30 = 138 + 10 + 2 + 30 = 180$

Уравнение составлено верно.

Ответ:

$23Cu + 60HNO_3 \rightarrow 23Cu(NO_3)_2 + 10NO \uparrow + 2N_2O \uparrow + 30H_2O$