Номер 567, страница 91 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

567. *При растворении меди в растворе азотной кислоты выделился газ, относительная плотность которого по воздуху равна 1,402. Составьте молекулярное уравнение химической реакции, протекающей в этом эксперименте.

Дано:

$D_{воздуха}(газ) = 1.402$

$M_{ср}(воздуха) \approx 29 \text{ г/моль}$

Найти:

Молекулярное уравнение реакции - ?

Решение:

1. Определим молярную массу выделившегося газа. Относительная плотность газа по воздуху ($D_{воздуха}$) связана с молярными массами газа ($M_{газа}$) и воздуха ($M_{воздуха}$) соотношением:

$D_{воздуха}(газ) = \frac{M_{газа}}{M_{воздуха}}$

Средняя молярная масса воздуха составляет примерно 29 г/моль. Тогда молярная масса неизвестного газа равна:

$M_{газа} = D_{воздуха}(газ) \times M_{воздуха} = 1.402 \times 29 \text{ г/моль} \approx 40.66 \text{ г/моль}$

2. При взаимодействии меди с азотной кислотой в зависимости от концентрации кислоты могут выделяться различные оксиды азота:

• Оксид азота(IV) $NO_2$, молярная масса $M(NO_2) = 14 + 2 \times 16 = 46 \text{ г/моль}$.
• Оксид азота(II) $NO$, молярная масса $M(NO) = 14 + 16 = 30 \text{ г/моль}$.
• Оксид азота(I) $N_2O$, молярная масса $M(N_2O) = 2 \times 14 + 16 = 44 \text{ г/моль}$.

3. Рассчитанная молярная масса 40.66 г/моль не соответствует ни одному из чистых газов, но находится между молярными массами $NO$ (30 г/моль) и $NO_2$ (46 г/моль). Это означает, что выделившийся газ является смесью оксида азота(II) и оксида азота(IV).

4. Найдем мольное соотношение газов в смеси. Пусть $x$ — мольная доля $NO_2$ в смеси, тогда $(1-x)$ — мольная доля $NO$. Средняя молярная масса смеси вычисляется по формуле:

$M_{смеси} = x \cdot M(NO_2) + (1-x) \cdot M(NO)$

Подставим известные значения:

$40.66 = x \cdot 46 + (1-x) \cdot 30$

$40.66 = 46x + 30 - 30x$

$10.66 = 16x$

$x = \frac{10.66}{16} \approx 0.666$

Таким образом, мольная доля $NO_2$ составляет примерно 0.666 (или 2/3), а мольная доля $NO$ — 0.334 (или 1/3). Мольное соотношение газов $n(NO_2) : n(NO) \approx 2:1$.

5. Составим суммарное уравнение реакции. Для этого запишем уравнения двух параллельно протекающих процессов:

Образование $NO_2$: $Cu + 4HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$

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

Чтобы в продуктах реакции соотношение $n(NO_2) : n(NO)$ было равно 2:1, нужно сложить уравнения так, чтобы количество молей $NO_2$ было в два раза больше количества молей $NO$. Для получения 4 моль $NO_2$ и 2 моль $NO$ (соотношение 4:2, то есть 2:1) умножим первое уравнение на 2, а второе оставим без изменений:

1) $2(Cu + 4HNO_3) \rightarrow 2(Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O)$ $\Rightarrow$ $2Cu + 8HNO_3 \rightarrow 2Cu(NO_3)_2 + 4NO_2 + 4H_2O$

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

Сложим левые и правые части этих уравнений:

$(2Cu + 3Cu) + (8HNO_3 + 8HNO_3) \rightarrow (2Cu(NO_3)_2 + 3Cu(NO_3)_2) + 4NO_2 + 2NO + (4H_2O + 4H_2O)$

Приводим подобные члены и получаем итоговое молекулярное уравнение:

$5Cu + 16HNO_3 \rightarrow 5Cu(NO_3)_2 + 4NO_2 + 2NO + 8H_2O$

Ответ: $5Cu + 16HNO_3 \rightarrow 5Cu(NO_3)_2 + 4NO_2 + 2NO + 8H_2O$