34.02 Избыток-недостаток

Бром преимущественно окисляет железо до +2, однако в жестких условиях при очень долгом нагревании возможно и окисление до +3. Посему можем записать две реакции:
Fe + Br₂ = FeBr₂
Fe + 1,5 Br₂ = FeBr₃
Рассмотрим оба варианта:
I. FeBr2 + Na2S = FeS + 2 NaBr
Осадок - это сульфид железа II, n (FeS) = m/M = 0,375 моль
n (Br2) = n (FeBr2) = n (FeS) = 0,375 моль
m (Br2) = 0,375*160 = 60 г
II. 2 FeBr₃ + 3 Na₂S = 2 FeS + S + 6 NaBr
m осадка = m FeS + m S
Пусть n FeBr₃ = х моль, тогда 33 = 16х + 88 х
х = 0,317 моль
m (Br2) = 1,5 n (FeBr3) * M (Br2) = 76,08 г

S + ½ O₂ + Cl₂ = SOCl₂ Очевидно, что после пропускания тионилхлорида через раствор гидроксида бария, избыточный газ – это кислород. Тионилхлорид прореагировал с раствором полностью, причем гидроксид бария тоже израсходовался полностью, так как при дальнейшем пропускании SO2 не происходило выпадение осадка.
n(Ba(OH)₂) = m р-ра * w р-ра / M (Ba(OH)₂ = 0,13 моль
SOCl₂ + Ba(OH)₂ = BaSO₃ + BaCl₂ + 2H₂O
S + O₂ = SO₂ n S = n SO₂ = mS/MS = 0,065 моль
BaSO₃ + SO₂ + H₂O = Ba(HSO₃)₂
n Ba(HSO₃)₂ = n SO₂ = 0,065 моль
n BaCl₂ = n Ba(OH)₂ – n Ba(HSO₃)₂ = 0,065 моль
m итог р-ра = m р-ра Ba(OH)₂ + m SOCl₂ + m SO₂
n SOCl₂ = n BaCl₂ = 0,065 моль
m SOCl₂ = 0,065*M = 7,735 г
m р-ра итог = 592 + 7,735 + 0,065*64 = 603,895 г
w Ba(HSO₃)₂ = m соли/m р-ра = 0,032 или 3,2%
w BaСl₂ = m соли/m р-ра = 0,022 или 2,2%

n(ZnO) = 16,2 г / 81 г/моль = 0,2 моль
n(CO) = 1,12 л / 22,4 л/моль = 0,05 моль
Угарный газ находится в недостатке, дальнейшие расчеты ведем по нему. 
1) ZnO + CO = Zn + CO₂ 
Поскольку моноксид углерода был в недостатке, оксид цинка прореагировал не полностью. После реакции оксида цинка осталось 0,2 - 0,05 = 0,15 моль. Цинка же образовалось 0,05 моль. Эту смесь растворили в едком натре:
2) ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]
3) Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂ 
n_нач.(NaOH) = 60 г * 0,4 / 40 г/моль = 0,6 моль
n_кон.(NaOH) = 0,6 моль - 2n(ZnO) - 2n(Zn) = 0,6 - 0,3 - 0,1 = 0,2 моль
m_{р-ра кон.}(NaOH) = 60 г + m(ZnO) + m(Zn) - m(H2) = 60 + 12,15 + 3,25 - 0,1 = 75,3 г
wкон.(NaOH) = (40 г/моль * 0,2 моль) / 75,3 г = 0,1062 (10,62%)

Ответ: 10,62%



 

Пусть n(HCHO) = x моль, n(H₂) = y моль
Объем смеси составляет 15 л, следовательно, х + у = 15 л / 22,4 л/моль = 0,67 моль
M_смеси = 22,4 л/моль * 0,4018 г/л = 9 г/моль
30 г/моль * х/0,67 моль + 2 г/моль * у/0,67 моль = 9 г/моль
Решая это уравнение, находим отношение х и у: 
у = 3х
х + у = 0,67
Решая эту систему, находим переменные:
х = 0,1675 моль, у = 0,5025 моль
1) HCHO + H₂ = CH₃-OH
Формальдегид в недостатке, теоретический выход метанола составит 0,1675 моль, но практический выход составляет лишь 60% от теоретического:
n(CH₃-OH)_практ. = 0,1675 моль * 0,6 = 0,1 моль
2) 2СH₃-OH + 2Na = 2CH₃-ONa + H₂
n(Na) = 2,6 г / 23 г/моль = 0,11 моль
Метанол в недостатке, значит, n(H₂) = 1/2n(CH₃-OH) = 0,05 моль
V(H₂) = 0,05 моль * 22,4 л/моль = 1,12 л

Пусть n(CH₃-CHO) = x моль, n(CH₃-C(O)-CH₃) = y моль
(44x + 58y) / (х + у) = 47,5
х = 3у
Пусть n(CH₃-CHO) = 3 моль, тогда n(CH₃-C(O)-CH₃) = 1 моль
1) CH₃-CHO + H₂ = CH₃-CH₂-OH
2) CH₃-C(O)-CH₃ + H₂ = CH₃-CH(OH)-CH₃
n(H₂) = 8 моль (в два раза больше исходной смеси по условию)
Исходя из выхода 65%, этанола образовалось 1,95 моль, пропанола-2 0,65 моль, осталось ацетальдегида 1,05 моль, ацетона 0,35 моль, водорода 5,4 моль

а) При температуре 30°С газами являются лишь ацетальдегид и водород.
M_смеси = (44 * 1,05 + 2 * 5,4) / 6,45 = 8,837 г/моль
Далее воспользуемся преобразованной формулой Менделеева-Клапейрона:
ρ = pM / RT
Для вычислений молярную массу необходимо перевести в СИ: 8,837 * 10^-3 кг/моль
Вычислим плотность: ρ = (10⁵ Па * 8,837 * 10^-3 кг/моль) / 8,31 * 303 К = 0,351 г/л

б) При температуре 230°С газами являются все вещества в системе. Аналогично пункту а вычислим молярную массу смеси газов и ее плотность (для краткости опустим все расчеты, проведенные в пункте а)
M_смеси = 21,915 г/моль
ρ = 0,524 г/л

1) CH₃-CH₂-CHO + H₂ = CH₃-CH₂-CH₂-OH
Плотность одного газа по другому газу - отношение плотности газов. Для начала следует найти плотность воздуха при температуре 250°С (523 К):
ρ = pM / RT 
ρ_возд = (10⁵ Па * 29 * 10^-3 кг/моль) / (8,31 * 523 К) = 0,667 г/л
Давление газовой смеси по воздуху составило 0,426, найдем плотность газовой смеси при данной температуре:
ρ_смеси = 0,667 * 0,426 = 0,284 г/л
Теперь, воспользовавшись той же самой формулой, можем найти молярную массу газовой смеси:
M_смеси = ρRT / p = (0,284 г/л * 8,31 * 523) / 10⁵ Па = 0,012343 кг/моль = 12,343 г/моль
По условию задачи реакция прошла с выходом 50%. Это означает, что объемные доли пропанола-1 и пропаналя в газовой смеси равны. Пусть φ(СH₃-CH₂-CHO) = φ(CH₃-CH₂-CH₂-OH) = x, тогда φ(H₂) составит 1 - 2х.
60x + 58x + 2(1-2x) = 12,343
Решая уравнение, находим х:
х = 0,09
Тогда φ(H₂) = 1 - 2 * 0,09 = 0,82
Пусть в газовой смеси 1 моль пропаналя и 1 моль пропанола-1, у моль водорода, тогда:
у / (у + 2) = 0,82
у = 9,1
Таким образом, после реакции в смеси присутствует 9,1 моль водорода, 1 моль пропанола-1 и 1 моль пропаналя. До реакции пропанола-1 не было, а пропаналя и водорода было на 1 моль больше. Изначально было 10,1 моль водорода и 2 моль пропаналя.
m_смеси = 2 г/моль * 10,1 моль + 58 г/моль * 2 моль = 136,2 г
w(H₂) = 20,2 г / 136,2 г = 0,1483 (14,83%)

Ответ: 14,83%

Пусть n(NH₃) - х моль, n(H₂O) - у моль, тогда
m(NH₃) = 17х г
m(H₂O) = 18у г
m(р⁺ в NH₃) = 10x г
m(p⁺ в H₂O) = 10у г.
m(p⁺ в р-ре) = m(р⁺ в NH₃) + m(p⁺ в H₂O) = 0,56*125 = 70 г
m(исх.р-ра) = m(NH₃) + m(H₂O) = 125 г
Составим и решим систему уравнений:
125 = 17x + 18y
70 = 10x + 10y
y = 6 
x = 1
n(AlCl₃) = 40,05/133,5 = 0,3 моль
1) 3NH₃*H₂O + AlCl₃ = 3NH₄Cl + Al(OH)₃
AlCl₃ в недостатке.
n(NH₃ ост.) = 1 - 0,9 = 0,1 моль 
n(SO₂) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
2) NH₃*H₂O + SO₂ = NH₄HSO₃
Соли в конечном растворе: 
n(NH₄HSO₃) = 0,1 моль 
n(NH₄Cl) = 0,9 моль. 
m(NH₄HSO₃) = 0,1*99 = 9,9 г
m(NH₄Cl) = 0,9*53,5 = 48,15 г
m(кон. р-ра) = m(исх. р-ра) + m(AlCl₃) - m(Al(OH)₃) + m(SO₂)
m(кон. р-ра) = 125 +40,05 - 0,3*78 + 0,1*64 = 148,05 г
W(NH₄Cl) = 48,15/148,05 = 0,3252 или 32,52%
W(NH₄HSO₃) = 9,9/148,05 = 0,0669 или 6,69%
Ответ:W(NH₄Cl) = 32,52%
W(NH₄HSO₃) = 6,69%
 

Sr(NO₃)₂ →^t Sr(NO₂)₂ + O₂
2Sr(NO₃)₂ →^t 2SrO + 4NO₂ + O₂
4NaOH + 4NO₂ + O₂ → 4NaNO₃ + 2H₂O
Пусть n (Sr(NO₃)₂) = x (моль), а n₂(Sr(NO₃)₂) = 2y
Сказано про непрореагировавший газ, это может быть или NO₂, или O₂. Если анализировать соотношение NO₂ к O₂, получается, что O₂ был дан в избытке, тогда:
n(O₂)_{непрореаг.} = n(O₂)_всего - n₃(O₂) = (x + y) - y = x (моль)
V(NO₂ + O₂) = 6V(O₂)_{непрореаг.}
(5y + x)*22,4 = 6*22,4*x
5y + x = 6x
x = y
n(NaOH) = 400*0,2 / 40 = 2 моль
Зная, что w(NaOH) уменьшилась в 4 раза, получаем:
w_II(NaOH) = 5% w_II(NaOH) = m_ост(NaOH)*100% / m(кон. р-ра)
m(кон. р-ра) = m(NaOH)_р-ра + m(NO₂) + m(O₂)_всего = 400 + 4y*46 + 32y = 400 + 216y
m(NaOH)_ост = (2-4y)*40
0,05 = (2 - 4y)*40 / 400 + 216y
Следовательно, y = 0,351
m(Sr(NO₃)₂) = (0,351 + 0,351*2)*212 = 223,236 г

1) Al₄C₃ + 6H₂SO₄ = 2Al₂(SO₄)₃ + 3CH₄
n(H₂SO₄) = (250 г * 0,2) / 98 г/моль = 0,51 моль
n(CH₄) = 4,48 л / 22,4 л/моль = 0,2 моль
Если бы серная кислота была в недостатке, образовалось бы 0,255 моль метана, значит, метан в недостатке, расчеты ведем по нему
n_прор(H₂SO₄) = 2n(СH₄) = 0,2 моль * 2 = 0,4 моль
n_ост(H₂SO₄) = 0,51 моль - 0,4 моль = 0,11 моль
n_прор(Al₄C₃) = 1/3n(CH₄) = 0,2 моль / 3 = 0,067 моль
m_р-ра = 250 г + 0,067 моль * 144 г/моль - 0,2 моль * 16 г/моль = 256,45 г
m_ост(H₂SO₄) = 0,11 моль * 98 г/моль = 10,78 г
w(H₂SO₄) = 10,78 г / 256,45 г = 0,042 (4,2%)

1) K₂CO₃ + BaCl₂ = BaCO₃ + 2KCl
n(K₂CO₃) = (200 мл * 1,04 г/мл * 0,11) / 138 г/моль = 0,166 моль
n(BaCl₂) = (250 мл * 1,07 г/мл * 0,15) / 208 г/моль = 193 моль
Карбонат калия в недостатке, расчеты ведем по нему
n(BaCO₃) = n(K₂CO₃) = 0,166 моль
n_прор(BaCl₂) = n(K₂CO₃) = 0,166 моль
n_ост(BaCl₂) = 0,193 моль - 0,166 моль = 0,027 моль
m_р-ра = 200 мл * 1,04 г/мл + 250 мл * 1,07 г/мл - 0,166 моль * 197 г/моль = 442,798 г
m_ост(BaCl₂) = 0,027 моль * 208 г/моль = 5,616 г
w(BaCl₂) = 5,616 г / 442,798 г = 0,0127 (1,27%)

1) NH₃ + HBr = NH₄Br
n(NH₃) = 5 л / 22,4 л/моль = 0,223 моль
n(HBr) = 6 л / 22,4 л/моль = 0,268 моль
Аммиак находится в недостатке, расчеты ведем по нему
n(NH₄Br) = n(NH₃)
m_р-ра = 500 г + 0,223 моль * 17 г/моль + 0,268 моль * 81 г/моль = 525,499 г
m(NH₄Br) = 0,223 моль * 98 г/моль = 21,854 г
w(NH₄Br) = 21,854 г / 525,499 г = 0,0416 (4,16%)

1) P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄
n(P₂O₅) = 2,84 г / 142 г/моль = 0,02 моль
n_исх(H₃PO₄) = (60 г * 0,18) / 98 г/моль = 0,11 моль
n_обр(H₃PO₄) = 2n(P₂O₅) = 2 * 0,02 моль = 0,04 моль
n_сумм(H₃PO₄) = 0,11 моль + 0,04 моль = 0,15 моль
2) H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O
n(NaOH) = 30 г / 40 г/моль = 0,75 моль
Фосфорная кислота находится в недостатке, расчеты ведем по ней
n(Na₃PO₄) = n(H₃PO₄) = 0,15 моль
m(Na₃PO₄) = 0,15 моль * 164 г/моль = 24,6 г

1) NaOH + HNO₃ = NaNO₃ + H₂O
n(NaOH) = (200 мл * 1,05 г/мл * 0,05) / 40 г/моль = 0,2625 моль
n(HNO₃) = (100 мл * 1,07 г/мл * 0,1) / 63 г/моль = 0,1698 моль
Азотная кислота находится в недостатке, расчеты ведем по ней
Среда раствора щелочная
n(NaNO₃) = n(HNO₃) = 0,1698 моль
m_р-ра = 200 мл * 1,05 г/мл + 100 мл * 1,07 г/мл = 317 г
m(NaNO₃) = 0,1698 моль * 85 г/моль = 14,433 г
w(NaNO₃) = 14,433 г / 317 г = 0,0455 (4,55%)