Номер 1091, страница 173 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1091. *На фосфор массой 10,5 г подействовали избытком концентрированной азотной кислоты. Выделившийся газ в присутствии избытка кислорода растворили в воде массой 100 г. Рассчитайте массовую долю кислоты в полученном растворе.

Дано:

$m(P) = 10,5 \ г$

$m(H_2O) = 100 \ г$

Избыток $HNO_3$ (конц.), избыток $O_2$

Найти:

$\omega(HNO_3)$ в конечном растворе

Решение:

Процесс решения задачи включает в себя анализ двух последовательных химических реакций и расчеты на их основе.

1. Сначала фосфор реагирует с избытком концентрированной азотной кислоты. Фосфор окисляется до своей высшей степени окисления +5, образуя фосфорную кислоту ($H_3PO_4$), а азотная кислота восстанавливается до диоксида азота ($NO_2$):

$P + 5HNO_3(конц.) \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2\uparrow + H_2O$

2. Затем выделившийся газ ($NO_2$) растворяют в воде в присутствии избытка кислорода. При этом диоксид азота окисляется до азотной кислоты:

$4NO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4HNO_3$

Проведем необходимые расчеты.

Найдем количество вещества исходного фосфора. Молярная масса фосфора $M(P) = 31 \ г/моль$.

$n(P) = \frac{m(P)}{M(P)} = \frac{10,5 \ г}{31 \ г/моль} = \frac{10.5}{31} \ моль$.

Согласно стехиометрии реакции (1), количество вещества выделившегося диоксида азота в 5 раз больше количества вещества фосфора:

$n(NO_2) = 5 \cdot n(P) = 5 \cdot \frac{10.5}{31} = \frac{52.5}{31} \ моль$.

Из уравнения реакции (2) следует, что количество вещества образовавшейся азотной кислоты равно количеству вещества прореагировавшего диоксида азота, так как их стехиометрические коэффициенты равны ($4:4$):

$n(HNO_3) = n(NO_2) = \frac{52.5}{31} \ моль$.

Рассчитаем массу образовавшейся азотной кислоты, которая является растворенным веществом в конечном растворе. Молярная масса $M(HNO_3) = 63 \ г/моль$.

$m(HNO_3) = n(HNO_3) \cdot M(HNO_3) = \frac{52.5}{31} \ моль \cdot 63 \ г/моль = \frac{3307.5}{31} \ г \approx 106,69 \ г$.

Масса конечного раствора складывается из массы исходной воды и масс поглощенных газов ($NO_2$ и $O_2$), которые полностью превратились в азотную кислоту. Рассчитаем массы этих газов.

Масса диоксида азота ($M(NO_2) = 46 \ г/моль$):

$m(NO_2) = n(NO_2) \cdot M(NO_2) = \frac{52.5}{31} \ моль \cdot 46 \ г/моль = \frac{2415}{31} \ г$.

Из уравнения (2) найдем количество вещества кислорода ($n(O_2) = \frac{1}{4} n(NO_2)$) и его массу ($M(O_2) = 32 \ г/моль$):

$m(O_2) = \frac{1}{4} \cdot n(NO_2) \cdot M(O_2) = \frac{1}{4} \cdot \frac{52.5}{31} \ моль \cdot 32 \ г/моль = \frac{420}{31} \ г$.

Теперь можем найти общую массу полученного раствора:

$m_{раствора} = m(H_2O) + m(NO_2) + m(O_2) = 100 \ г + \frac{2415}{31} \ г + \frac{420}{31} \ г = 100 + \frac{2835}{31} = \frac{3100 + 2835}{31} = \frac{5935}{31} \ г \approx 191,45 \ г$.

Наконец, рассчитаем массовую долю азотной кислоты в конечном растворе:

$\omega(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{m_{раствора}} = \frac{3307.5 / 31}{5935 / 31} = \frac{3307.5}{5935} \approx 0,5573$.

Выражая в процентах и округляя до трех значащих цифр (в соответствии с точностью исходных данных), получаем:

$\omega(HNO_3) \approx 55,7\%$.

Ответ: массовая доля кислоты в полученном растворе равна 55,7%.