Номер 790, страница 140 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

790. Газообразную смесь водорода и хлора поместили в реактор объёмом $2,00 \text{ дм}^3$ и осветили ультрафиолетовым светом. При этом в реакторе произошла бурная химическая реакция (в виде микровзрыва). После охлаждения до $5 \text{ °С}$ в реактор ввели водный раствор, содержащий 12,0 г гидроксида натрия, выдержали некоторое время при $5 \text{ °С}$, а затем добавили дистиллированную воду до полного заполнения реактора. При этом всё содержимое реактора было поглощено раствором. В результате поглощения содержимого реактора масса раствора увеличилась на 5,00 г. Полученный раствор упарили в инертной атмосфере до массы 200 г.

а) Рассчитайте массовые доли водорода и хлора в исходной смеси, если её плотность по воздуху равна 1,457.

б) Рассчитайте массовые доли всех веществ в полученном после упаривания растворе массой 200 г.

в) Приведите уравнения реакций, протекающих в описанном эксперименте.

Дано:

$V_{реактора}$ = 2,00 дм³ = 2,00 ∙ 10⁻³ м³

$T$ = 5 °C = 278,15 K

$m(NaOH)$ = 12,0 г = 0,012 кг

$\Delta m_{раствора}$ = 5,00 г = 0,005 кг

$m_{конечного\;раствора}$ = 200 г = 0,2 кг

$D_{воздуху}(H_2/Cl_2)$ = 1,457

Найти:

а) $\omega(H_2)$, $\omega(Cl_2)$ в исходной смеси - ?

б) $\omega(веществ)$ в конечном растворе - ?

в) Уравнения реакций - ?

Решение:

Для расчетов будем использовать следующие молярные массы:

$M(H_2)$ = 2 г/моль

$M(Cl_2)$ = 71 г/моль

$M_{воздуха}$ ≈ 29 г/моль

$M(HCl)$ = 36,5 г/моль

$M(NaOH)$ = 40 г/моль

$M(NaCl)$ = 58,5 г/моль

$M(NaClO)$ = 74,5 г/моль

а)

1. Найдем среднюю молярную массу исходной газовой смеси водорода и хлора, используя её плотность по воздуху:

$M_{смеси} = D_{воздуху} \cdot M_{воздуха} = 1,457 \cdot 29\;г/моль = 42,253\;г/моль$

2. После реакции синтеза хлороводорода и последующего поглощения продуктов раствором щелочи масса раствора увеличилась на 5,00 г. Это увеличение массы равно массе поглощенных газов (продуктов реакции и избытка одного из реагентов). По закону сохранения массы, масса газовой смеси после реакции равна массе исходной газовой смеси.

$m_{исх.смеси} = \Delta m_{раствора} = 5,00\;г$

3. Найдем общее количество вещества (моль) в исходной газовой смеси:

$n_{смеси} = \frac{m_{смеси}}{M_{смеси}} = \frac{5,00\;г}{42,253\;г/моль} = 0,1183\;моль$

4. Составим систему уравнений для нахождения масс водорода и хлора в исходной смеси. Пусть $m(H_2) = x$ г, тогда $m(Cl_2) = (5,00 - x)$ г.

Количество вещества каждого газа:

$n(H_2) = \frac{x}{2}\;моль$

$n(Cl_2) = \frac{5,00 - x}{71}\;моль$

Суммарное количество вещества:

$n(H_2) + n(Cl_2) = n_{смеси}$

$\frac{x}{2} + \frac{5,00 - x}{71} = 0,1183$

Приведем к общему знаменателю 142:

$71x + 2(5,00 - x) = 0,1183 \cdot 142$

$71x + 10 - 2x = 16,8$

$69x = 6,8$

$x = \frac{6,8}{69} \approx 0,0986\;г$

Итак, $m(H_2) = 0,0986\;г$.

$m(Cl_2) = 5,00 - 0,0986 = 4,9014\;г$.

5. Рассчитаем массовые доли водорода и хлора в исходной смеси:

$\omega(H_2) = \frac{m(H_2)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{0,0986\;г}{5,00\;г} \cdot 100\% = 1,97\%$

$\omega(Cl_2) = \frac{m(Cl_2)}{m_{смеси}} \cdot 100\% = \frac{4,9014\;г}{5,00\;г} \cdot 100\% = 98,03\%$

Ответ: Массовая доля водорода в исходной смеси составляет 1,97%, массовая доля хлора – 98,03%.

б)

1. Определим, какой из реагентов был в избытке. Для этого найдем количество вещества водорода и хлора в исходной смеси:

$n(H_2) = \frac{m(H_2)}{M(H_2)} = \frac{0,0986\;г}{2\;г/моль} = 0,0493\;моль$

$n(Cl_2) = \frac{m(Cl_2)}{M(Cl_2)} = \frac{4,9014\;г}{71\;г/моль} = 0,0690\;моль$

2. Согласно уравнению реакции $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$, реагенты взаимодействуют в соотношении 1:1. Так как $n(H_2) < n(Cl_2)$, водород является недостающим реагентом и прореагирует полностью, а хлор находится в избытке.

3. Рассчитаем количество вещества продуктов реакции и избытка хлора, которые были поглощены раствором щелочи:

$n(HCl)_{прод.} = 2 \cdot n(H_2) = 2 \cdot 0,0493\;моль = 0,0986\;моль$

$n(Cl_2)_{изб.} = n(Cl_2)_{исх.} - n(H_2) = 0,0690\;моль - 0,0493\;моль = 0,0197\;моль$

4. Хлороводород и избыток хлора реагируют с раствором гидроксида натрия. Найдем начальное количество вещества $NaOH$:

$n(NaOH)_{исх.} = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{12,0\;г}{40\;г/моль} = 0,300\;моль$

5. Реакция хлороводорода с щелочью:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

На эту реакцию расходуется $0,0986\;моль\;NaOH$ и образуется $0,0986\;моль\;NaCl$.

$n(NaOH)_{ост.1} = 0,300\;моль - 0,0986\;моль = 0,2014\;моль$

6. Реакция избытка хлора с холодной щелочью (условие 5°C):

$Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

На эту реакцию расходуется $2 \cdot n(Cl_2)_{изб.} = 2 \cdot 0,0197\;моль = 0,0394\;моль\;NaOH$. У нас в остатке 0,2014 моль NaOH, что является достаточным количеством.

В ходе реакции образуется $0,0197\;моль\;NaCl$ и $0,0197\;моль\;NaClO$.

7. Рассчитаем состав конечного раствора массой 200 г. Он содержит воду и растворенные вещества: избыток $NaOH$, $NaCl$ и $NaClO$.

Количество оставшегося $NaOH$:

$n(NaOH)_{кон.} = 0,2014\;моль - 0,0394\;моль = 0,162\;моль$

$m(NaOH)_{кон.} = 0,162\;моль \cdot 40\;г/моль = 6,48\;г$

Общее количество образовавшегося $NaCl$:

$n(NaCl)_{общ.} = 0,0986\;моль + 0,0197\;моль = 0,1183\;моль$

$m(NaCl) = 0,1183\;моль \cdot 58,5\;г/моль = 6,92\;г$

Количество образовавшегося $NaClO$:

$n(NaClO) = 0,0197\;моль$

$m(NaClO) = 0,0197\;моль \cdot 74,5\;г/моль = 1,47\;г$

Масса воды в конечном растворе:

$m(H_2O) = 200\;г - m(NaOH)_{кон.} - m(NaCl) - m(NaClO) = 200 - 6,48 - 6,92 - 1,47 = 185,13\;г$

8. Найдем массовые доли всех веществ в конечном растворе:

$\omega(NaOH) = \frac{6,48\;г}{200\;г} \cdot 100\% = 3,24\%$

$\omega(NaCl) = \frac{6,92\;г}{200\;г} \cdot 100\% = 3,46\%$

$\omega(NaClO) = \frac{1,47\;г}{200\;г} \cdot 100\% = 0,74\%$

$\omega(H_2O) = \frac{185,13\;г}{200\;г} \cdot 100\% = 92,56\%$

Ответ: Массовые доли в полученном после упаривания растворе: $\omega(NaOH) = 3,24\%$, $\omega(NaCl) = 3,46\%$, $\omega(NaClO) = 0,74\%$, $\omega(H_2O) = 92,56\%$.

в)

В ходе описанного эксперимента протекают следующие химические реакции:

1. Синтез хлороводорода из водорода и хлора под действием ультрафиолетового света:

$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{УФ} 2HCl$

2. Нейтрализация образовавшегося хлороводорода гидроксидом натрия:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

3. Взаимодействие избыточного хлора с холодным (5 °C) раствором гидроксида натрия (реакция диспропорционирования):

$Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

Ответ:

$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{УФ} 2HCl$

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

$Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$