Номер 862, страница 152 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

862. Существуют два оксида, в которых атом азота находится в степени окисления $+4$, $NO_2$ и его димер $N_2O_4$. Первый из них в чистом виде существует только выше $140 \text{ °C}$ и представляет собой бурую жидкость, кипящую при $21,2 \text{ °C}$. Второй в чистом виде существует только при низких температурах и представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления $-11 \text{ °C}$.

а) Как можно получить $NO_2$ в лабораторных условиях? Приведите уравнения двух реакций, используемых для его практического получения.

б) Что собой представляет оксид азота(IV) в конденсированном состоянии в интервале температур от $-11$ до $+21,2 \text{ °C}$? Поясните ответ.

в) Рассчитайте массовую долю $NO_2$ в газовой смеси при $25 \text{ °C}$, если константа равновесия процесса димеризации при этой температуре, выраженная через мольные доли компонентов, равна 8,70.

г) Какой знак имеет тепловой эффект процесса димеризации $NO_2$? Поясните ответ.

д) Какое строение имеет $N_2O_4$ в газообразном и твёрдом состояниях? Кратко поясните ответ.

а) Как можно получить NO₂ в лабораторных условиях? Приведите уравнения двух реакций, используемых для его практического получения.

Оксид азота(IV) (NO₂) в лаборатории можно получить несколькими способами. Два наиболее распространенных из них:

1. Взаимодействие меди с концентрированной азотной кислотой. При этой реакции выделяется бурый газ NO₂.

$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3(\text{конц.}) \rightarrow \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

2. Термическое разложение нитрата свинца(II). При нагревании твердый нитрат свинца(II) разлагается с образованием оксида свинца(II), кислорода и оксида азота(IV).

$2\text{Pb}(\text{NO}_3)_2(\text{тв.}) \xrightarrow{t} 2\text{PbO}(\text{тв.}) + 4\text{NO}_2(\text{г}) + \text{O}_2(\text{г})$

Ответ: Два способа получения NO₂ в лаборатории — это реакция меди с концентрированной азотной кислотой ($\text{Cu} + 4\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$) и термическое разложение нитрата свинца(II) ($2\text{Pb}(\text{NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{PbO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$).

б) Что собой представляет оксид азота(IV) в конденсированном состоянии в интервале температур от –11 до +21,2 °C? Поясните ответ.

В конденсированном состоянии оксид азота(IV) представляет собой равновесную смесь двух веществ: диоксида азота (NO₂) и его димера, тетраоксида диазота (N₂O₄). Между ними устанавливается равновесие:

$2\text{NO}_2 \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4$

Согласно условию, температура плавления N₂O₄ составляет –11 °C, а температура кипения жидкости — +21,2 °C. Следовательно, в указанном интервале температур (от –11 до +21,2 °C) оксид азота(IV) находится в жидком состоянии.

Эта жидкость является смесью бурого NO₂ и бесцветного N₂O₄. При повышении температуры равновесие сдвигается влево, в сторону образования NO₂, поэтому цвет жидкости меняется от светло-желтого (сразу после плавления, когда преобладает N₂O₄) до красно-бурого (при температуре, близкой к кипению, когда концентрация NO₂ возрастает).

Ответ: В интервале температур от –11 до +21,2 °C оксид азота(IV) представляет собой жидкость, являющуюся равновесной смесью диоксида азота NO₂ и тетраоксида диазота N₂O₄. Цвет жидкости меняется от светло-желтого до красно-бурого по мере повышения температуры.

в) Рассчитайте массовую долю NO₂ в газовой смеси при 25 °C, если константа равновесия процесса димеризации при этой температуре, выраженная через мольные доли компонентов, равна 8,70.

Дано

$T = 25 \text{ °C}$

$K_\chi = 8,70$

$T = 25 + 273,15 = 298,15 \text{ К}$

Найти:

$\omega(\text{NO}_2)$ — ?

Решение

Процесс димеризации описывается уравнением равновесия:

$2\text{NO}_2(\text{г}) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(\text{г})$

Константа равновесия, выраженная через мольные доли ($\chi$), имеет вид:

$K_\chi = \frac{\chi(\text{N}_2\text{O}_4)}{(\chi(\text{NO}_2))^2} = 8,70$

Сумма мольных долей компонентов в смеси равна 1:

$\chi(\text{NO}_2) + \chi(\text{N}_2\text{O}_4) = 1$

Обозначим мольную долю NO₂ как $x$, то есть $\chi(\text{NO}_2) = x$. Тогда мольная доля N₂O₄ будет $\chi(\text{N}_2\text{O}_4) = 1 - x$.

Подставим эти выражения в уравнение для константы равновесия:

$\frac{1 - x}{x^2} = 8,70$

Получаем квадратное уравнение:

$8,70x^2 + x - 1 = 0$

Решим это уравнение относительно $x$. Дискриминант $D = b^2 - 4ac = 1^2 - 4 \cdot 8,70 \cdot (-1) = 1 + 34,8 = 35,8$.

Корень из дискриминанта: $\sqrt{D} = \sqrt{35,8} \approx 5,983$.

$x = \frac{-b \pm \sqrt{D}}{2a} = \frac{-1 \pm 5,983}{2 \cdot 8,70} = \frac{-1 \pm 5,983}{17,4}$

Так как мольная доля не может быть отрицательной, выбираем корень со знаком "плюс":

$x = \frac{-1 + 5,983}{17,4} = \frac{4,983}{17,4} \approx 0,2864$

Таким образом, мольные доли компонентов в смеси равны:

$\chi(\text{NO}_2) = x = 0,2864$

$\chi(\text{N}_2\text{O}_4) = 1 - x = 1 - 0,2864 = 0,7136$

Для расчета массовой доли найдем молярные массы веществ:

$M(\text{NO}_2) = 14,01 + 2 \cdot 16,00 = 46,01 \text{ г/моль}$

$M(\text{N}_2\text{O}_4) = 2 \cdot M(\text{NO}_2) = 2 \cdot 46,01 = 92,02 \text{ г/моль}$

Массовая доля компонента в газовой смеси связана с мольной долей через среднюю молярную массу смеси ($M_{ср}$):

$\omega(\text{NO}_2) = \frac{\chi(\text{NO}_2) \cdot M(\text{NO}_2)}{M_{ср}} = \frac{\chi(\text{NO}_2) \cdot M(\text{NO}_2)}{\chi(\text{NO}_2) \cdot M(\text{NO}_2) + \chi(\text{N}_2\text{O}_4) \cdot M(\text{N}_2\text{O}_4)}$

$\omega(\text{NO}_2) = \frac{0,2864 \cdot 46,01}{0,2864 \cdot 46,01 + 0,7136 \cdot 92,02} = \frac{13,177}{13,177 + 65,666} = \frac{13,177}{78,843} \approx 0,1671$

В процентах это составляет $16,71\%$.

Ответ: Массовая доля NO₂ в газовой смеси составляет 0,1671 или 16,71%.

г) Какой знак имеет тепловой эффект процесса димеризации NO₂? Поясните ответ.

Процесс димеризации $2\text{NO}_2(\text{г}) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(\text{г})$ является экзотермическим, то есть его тепловой эффект ($\Delta H$) имеет отрицательный знак. Это можно объяснить двумя способами:

1. В ходе реакции из двух молекул NO₂ образуется одна молекула N₂O₄. Это происходит за счет образования новой химической связи N–N. Образование химических связей всегда сопровождается выделением энергии, поэтому реакция является экзотермической.

2. Из условия задачи известно, что при низких температурах существует димер N₂O₄, а при высоких температурах — мономер NO₂. Согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции. Так как повышение температуры приводит к смещению равновесия влево (в сторону NO₂), то обратная реакция (распад N₂O₄) является эндотермической ($\Delta H > 0$). Следовательно, прямая реакция димеризации является экзотермической ($\Delta H < 0$).

Ответ: Тепловой эффект процесса димеризации NO₂ имеет отрицательный знак ($\Delta H < 0$), так как реакция является экзотермической.

д) Какое строение имеет N₂O₄ в газообразном и твёрдом состояниях? Кратко поясните ответ.

Молекула тетраоксида диазота N₂O₄ состоит из двух фрагментов NO₂, соединенных между собой связью азот-азот (N–N). Структуру можно представить как O₂N–NO₂.

В твёрдом состоянии молекула N₂O₄ имеет плоское строение (все 6 атомов лежат в одной плоскости). Атомы азота находятся в sp²-гибридизации, образуя три сигма-связи (одна N-N и две N-O) и одну пи-связь, делокализованную между двумя атомами кислорода.

В газообразном состоянии строение в целом сохраняется, однако появляется возможность вращения фрагментов NO₂ вокруг одинарной связи N–N. Хотя наиболее устойчивой конформацией остается плоская, молекула совершает торсионные (крутильные) колебания.

Связь N–N в молекуле N₂O₄ является довольно длинной (около 1.78 Å) и слабой, что объясняет легкость ее разрыва при нагревании и диссоциацию молекулы на две молекулы NO₂.

Ответ: Молекула N₂O₄ в газообразном и твёрдом состояниях имеет строение O₂N–NO₂. В твердой фазе молекула плоская. В газовой фазе сохраняется плоская структура как наиболее стабильная, но возможно вращение групп NO₂ вокруг связи N-N.