Номер 794, страница 141 - гдз по химии 8 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

794. Ниже приведено описание методики синтеза вещества X в лабораторных условиях.

В коническую колбу вносят 100 г твёрдого иода и добавляют 500 г дымящейся азотной кислоты. Колбу закрывают дном другой круглодонной колбы с проточной водой. Реакционную смесь нагревают и выдерживают при 70–80 °С до окончания реакции. Полученный раствор упаривают на водяной бане, а затем быстро охлаждают льдом. Выделившиеся бесцветные кристаллы отфильтровывают и сушат несколько дней над твёрдым гидроксидом калия или в сушильном шкафу при 60 °С. По данным количественного анализа, полученное вещество содержит 72,14 % иода и 0,5730 % водорода.

а) Синтез какого вещества описан в задаче? Приведите его эмпирическую формулу и ваши расчёты.

б) Приведите структурную формулу вещества X.

в) Приведите уравнение протекающей реакции с учётом того, что, кроме конечного продукта, образовалась вода и наблюдалось выделение газа, который на выходе из реакционного сосуда при контакте с воздухом приобретал бурую окраску.

г) Реакционную смесь необходимо выдерживать при 70–80 °С до окончания реакции. Как экспериментально определить момент окончания реакции?

а) Синтез какого вещества описан в задаче? Приведите его эмпирическую формулу и ваши расчёты.

В задаче описан синтез иодноватой кислоты.

Дано:
$ω(I) = 72,14 \% = 0,7214$
$ω(H) = 0,5730 \% = 0,005730$

Найти:
Эмпирическая формула вещества X.

Решение:
Вещество Х состоит из иода (I), водорода (H) и, так как реакция идёт с азотной кислотой (сильным окислителем), кислорода (O).
1. Найдём массовую долю кислорода в веществе X:
$ω(O) = 100\% - ω(I) - ω(H) = 100\% - 72,14\% - 0,5730\% = 27,287\%$
2. Для определения эмпирической формулы найдём соотношение числа атомов элементов в молекуле. Допустим, у нас есть 100 г вещества Х. Тогда массы элементов в нём будут равны:
$m(I) = 72,14 \text{ г}$
$m(H) = 0,5730 \text{ г}$
$m(O) = 27,287 \text{ г}$
3. Найдём количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя их молярные массы ($M(I) \approx 127 \text{ г/моль}$, $M(H) \approx 1 \text{ г/моль}$, $M(O) \approx 16 \text{ г/моль}$):
$n(I) = \frac{m(I)}{M(I)} = \frac{72,14 \text{ г}}{127 \text{ г/моль}} \approx 0,568 \text{ моль}$
$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{0,5730 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} \approx 0,573 \text{ моль}$
$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{27,287 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} \approx 1,705 \text{ моль}$
4. Найдём соотношение молей, разделив все значения на наименьшее ($0,568$):
$H : I : O = \frac{0,573}{0,568} : \frac{0,568}{0,568} : \frac{1,705}{0,568} \approx 1,009 : 1 : 2,99 \approx 1:1:3$
Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула вещества X — $HIO_3$.

Ответ: В задаче описан синтез иодноватой кислоты, её эмпирическая формула — $HIO_3$.

б) Приведите структурную формулу вещества Х.

Вещество X — иодноватая кислота ($HIO_3$). В её молекуле атом иода связан с тремя атомами кислорода. Один из атомов кислорода связан с атомом водорода, образуя гидроксильную группу. Два других атома кислорода связаны с иодом двойными связями. Атом иода находится в степени окисления +5. Структурная формула выглядит следующим образом:

$O$
$||$
$H-O-I$
$||$
$O$

Ответ: Структурная формула иодноватой кислоты:

$O$
$||$
$H-O-I$
$||$
$O$

в) Приведите уравнение протекающей реакции с учётом того, что, кроме конечного продукта, образовалась вода и наблюдалось выделение газа, который на выходе из реакционного сосуда при контакте с воздухом приобретал бурую окраску.

Газ, который на воздухе приобретает бурую окраску, — это оксид азота(II) ($NO$), который окисляется кислородом воздуха до бурого оксида азота(IV) ($NO_2$): $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$.
Следовательно, в реакции иода с дымящей азотной кислотой образуются иодноватая кислота ($HIO_3$), оксид азота(II) ($NO$) и вода ($H_2O$).
Уравняем реакцию методом электронного баланса. Иод ($I_2$) является восстановителем, а азот ($N^{+5}$) в азотной кислоте — окислителем.
Процесс окисления: $I_2^0 - 10e^- \rightarrow 2I^{+5}$
Процесс восстановления: $N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$
Найдём наименьшее общее кратное для числа электронов (10 и 3), оно равно 30. Поставим коэффициенты:
$3 | I_2^0 - 10e^- \rightarrow 2I^{+5}$
$10 | N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$
Подставляем коэффициенты в молекулярное уравнение:
$3I_2 + 10HNO_3 \rightarrow 6HIO_3 + 10NO + H_2O$
Уравняем атомы водорода и кислорода. Слева 10 атомов H (в $10HNO_3$). Справа 6 атомов H (в $6HIO_3$). Значит, для баланса необходимо $10-6=4$ атома H, что соответствует 2 молекулам воды.
Итоговое сбалансированное уравнение реакции:
$3I_2 + 10HNO_3 \rightarrow 6HIO_3 + 10NO\uparrow + 2H_2O$

Ответ: $3I_2 + 10HNO_3 \rightarrow 6HIO_3 + 10NO\uparrow + 2H_2O$.

г) Реакционную смесь необходимо выдерживать при 70–80 °С до окончания реакции. Как экспериментально определить момент окончания реакции?

О протекании реакции свидетельствуют два явных признака: растворение твёрдого иода (кристаллы тёмно-фиолетового цвета) и выделение газа (бесцветного $NO$, который на выходе из колбы буреет на воздухе из-за образования $NO_2$).
Момент окончания реакции можно определить по прекращению этих видимых изменений. Экспериментально окончание реакции фиксируется, когда одновременно выполняются два условия:
1. Прекращается выделение газа из реакционной смеси (соответственно, прекращается образование бурого газа на выходе из реактора).
2. Весь твёрдый иод полностью растворяется, и реакционная смесь становится гомогенным, обычно бесцветным или слабо окрашенным раствором.

Ответ: Момент окончания реакции можно определить экспериментально по прекращению выделения бурого газа на выходе из реактора и по полному растворению твёрдого иода в реакционной смеси.