Номер 883, страница 161 - гдз по химии 9 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

883. Ниже описан лабораторный синтез вещества $X$. В круглодонную колбу на $200 \text{ см}^3$, снабжённую специальной капельной воронкой и отводной трубкой, помещают смесь из 20,0 г хлората калия и 60 г промытого и прокалённого кварцевого песка (инертный носитель). Реакционную колбу охлаждают льдом и медленно по каплям добавляют концентрированную серную кислоту, также охлаждённую до $0 \ ^\circ C$. В результате протекания экзотермической реакции образуется вещество $X$.

a) Установите формулу вещества $X$, если среди продуктов реакции присутствует также хлорная кислота массой 5,469 г.

б) Приведите уравнение протекающей реакции.

в) Приведите ещё один лабораторный способ получения вещества $X$.

г) Для чего используется вещество $X$ в промышленных условиях?

Дано:

$m(KClO_3) = 20,0 \text{ г}$

$m(HClO_4) = 5,469 \text{ г}$

Найти:

а) Формулу вещества X

б) Уравнение реакции

в) Другой способ получения X

г) Применение X

Решение

а) Установите формулу вещества X, если среди продуктов реакции присутствует также хлорная кислота массой 5,469 г.

В задаче описана реакция между хлоратом калия ($KClO_3$) и концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$). Эта реакция приводит к образованию нестабильной хлорноватой кислоты ($HClO_3$), которая затем диспропорционирует.

1. Образование хлорноватой кислоты (реакция обмена):

$KClO_3 + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow KHSO_4 + HClO_3$

2. Диспропорционирование хлорноватой кислоты. Поскольку одним из продуктов является хлорная кислота ($HClO_4$), реакция диспропорционирования выглядит следующим образом:

$3HClO_3 \rightarrow HClO_4 + 2ClO_2 + H_2O$

Из этой схемы видно, что неизвестное вещество X — это диоксид хлора ($ClO_2$).

Для подтверждения этого предположения проведём стехиометрические расчёты. Суммарное уравнение реакции можно получить, умножив первую реакцию на 3 и сложив со второй:

$3KClO_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3KHSO_4 + 3HClO_3$

$3HClO_3 \rightarrow HClO_4 + 2ClO_2 + H_2O$

Суммарное уравнение:

$3KClO_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3KHSO_4 + HClO_4 + 2ClO_2 + H_2O$

Теперь проверим, соответствуют ли исходные данные этому уравнению.

1. Найдём молярные массы веществ:

$M(KClO_3) = 39,1 + 35,45 + 3 \cdot 16,00 = 122,55 \text{ г/моль}$

$M(HClO_4) = 1,008 + 35,45 + 4 \cdot 16,00 \approx 100,46 \text{ г/моль}$

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) для реагента и известного продукта:

$\nu(KClO_3) = \frac{m(KClO_3)}{M(KClO_3)} = \frac{20,0 \text{ г}}{122,55 \text{ г/моль}} \approx 0,1632 \text{ моль}$

$\nu(HClO_4) = \frac{m(HClO_4)}{M(HClO_4)} = \frac{5,469 \text{ г}}{100,46 \text{ г/моль}} \approx 0,0544 \text{ моль}$

3. Сравним мольное соотношение реагента и продукта согласно уравнению реакции. По уравнению, на 3 моль $KClO_3$ образуется 1 моль $HClO_4$, то есть их соотношение равно $3:1$.

Проверим фактическое соотношение по данным задачи:

$\frac{\nu(KClO_3)}{\nu(HClO_4)} = \frac{0,1632 \text{ моль}}{0,0544 \text{ моль}} \approx 3,00$

Соотношение полностью совпадает с теоретическим. Это подтверждает, что реакция протекает по выведенному уравнению, и вещество X — это диоксид хлора.

Ответ: Формула вещества X — $ClO_2$ (диоксид хлора).

б) Приведите уравнение протекающей реакции.

Исходя из расчётов, проведённых в пункте (а), полное уравнение реакции, протекающей в колбе, выглядит следующим образом. Кварцевый песок является инертным носителем и в реакции не участвует. Охлаждение до $0°C$ необходимо, так как реакция экзотермическая, а продукт ($ClO_2$) нестабилен и взрывоопасен.

Ответ: $3KClO_3 + 3H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{0 ^\circ C} 3KHSO_4 + HClO_4 + 2ClO_2\uparrow + H_2O$.

в) Приведите ещё один лабораторный способ получения вещества X.

Ещё одним лабораторным способом получения диоксида хлора ($ClO_2$) является реакция хлората калия со щавелевой кислотой в кислой среде. Этот метод считается более безопасным, так как образующийся диоксид хлора разбавляется углекислым газом, что снижает риск взрыва.

Ответ: Реакция хлората калия со щавелевой кислотой в присутствии серной кислоты при слабом нагревании: $2KClO_3 + H_2C_2O_4 + H_2SO_4 \rightarrow 2ClO_2\uparrow + 2CO_2\uparrow + K_2SO_4 + 2H_2O$.

г) Для чего используется вещество X в промышленных условиях?

Диоксид хлора ($ClO_2$) — сильный окислитель, что определяет его основное промышленное применение.

1. Отбелка целлюлозы. $ClO_2$ является ключевым реагентом в ECF (Elemental Chlorine Free) процессах отбеливания древесной массы для производства бумаги. Он эффективно удаляет лигнин, при этом минимально повреждая волокна целлюлозы, что позволяет получать бумагу высокой белизны и прочности.

2. Дезинфекция воды. $ClO_2$ используется для обеззараживания питьевой, технической и сточной воды. Он эффективен против широкого спектра патогенов (включая устойчивые к хлору цисты Giardia и Cryptosporidium) и, в отличие от хлора, не образует канцерогенных хлорорганических соединений, таких как тригалометаны.

Ответ: Вещество X (диоксид хлора) в промышленности используется главным образом для отбелки целлюлозы в бумажной промышленности и для дезинфекции и очистки воды.