Решение Задачи 10-3 (авторы Гулевич Д. Г., Емельянов В. А.)

1. Мольное соотношение Г / В в равновесной смеси при температуре 25 °C и давлении 1 атм. составляет 2,16/1. Это значит, что на 1 моль В в такой смеси приходится 2,16 моль Г, то есть из суммарного числа молей 1 + 2,16 = 3,16 количество В составляет 1 моль, а количество Г 2,16 моль. Отсюда находим мольные доли: x _В = 1/3,16 = 0,316 или 31,6 %, x _Г = 2,16/3,16 = 0,684, или 68,4 %.

Для реакции димеризации 2 В = Г константа равновесия K = p _Г / р _В ², где p _Г и р _В – равновесные парциальные давления газов Г и В. Поскольку p _Г = x _Г · р _общ, р _В = x _В · р _общ, а общее давление 1 атм, получаем p _Г = 0,684 атм., p _В = 0,316 атм.

Тогда K = 0,684/0,316² = 6,85.

2. Из данных о плотности газовой смеси по воздуху определяем её среднюю молярную массу: М _ср. = D _возд. · M _возд. = 2,67 · 29 г/моль = 77,43 г/моль. Средняя молярная масса газовой смеси равна сумме молярных масс компонентов, умноженных на их мольные доли. Поскольку Г является димером В, его молярная масса ровно в 2 раза превышает молярную массу В. Получаем уравнение с одним неизвестным: М _ср. = 0,316 · М _В + 0,684 · 2 · М _В = 1,684 М _В = 77,43, откуда М _В = 46 г/моль.

Поскольку понижение температуры приводит к смещению равновесия в сторону димеризации, из этого можно сделать вывод, что реакция димеризации В экзотермическая.

3. Основные компоненты воздуха – азот, кислород, аргон и углекислый газ. Кислород и аргон не могут образоваться при сжигании А, а для образования только воды и углекислого газа надо было сжигать углеводород, который не подходит по условию. Тогда Д – это азот. Водородное соединение азота А, удовлетворяющее условию (газ при н. у., водный раствор которого окрашивает лакмусовую бумагу в синий цвет) – аммиак.

Тогда газ В с молярной массой 46 г/моль – диоксид азота (оксид азота (IV)), газ Г – тетраоксид диазота (димер оксида азота (IV)), а газ Б – монооксид азота (оксид азота(II)).

Уравнения реакций:

1) 4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O;

2) 2NO + O₂ = 2NO₂;

3) 2NO₂ ⇄ N₂O₄;

4) 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O.

4. Объёмное (оно же мольное) содержание азота в сухом воздухе составляет 78 %. Тогда парциальное давление азота в описанных условиях составит р _N2 = 0,78 · 101,325 = 79 кПа.

5. Смесь монооксида азота и диоксида азота (если более точно, то его димера) при сильном охлаждении реагирует с образованием оксида азота (III). Единственная распространённая азотсодержащая кислота (из которой, к тому же, можно приготовить 50%-ный водный раствор) – азотная. При взаимодействии аммиака и азотной кислоты образуется нитрат аммония, термическое разложение которого даёт оксид азота (I).

Уравнения реакций:

5) 2NO + N₂O₄ 2N₂O₃ (засчитывается NO + NO₂ = N₂O₃);

6) (С₆Н₁₂О₅) _n + 12 n HNO₃ = 6 n NO + 6 n NO₂ + 6 n CO₂ + 11 n H₂O (можно без n);

7) NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃;

8) NH₄NO₃ N₂O + 2H₂O.

Структурные формулы:

Система оценивания:

Задача 10-4. Эквимолярную (1: 1) смесь двух углеводородов А и B нагревали под давлением в присутствии платинового катализатора до тех пор, пока состав смеси не перестал изменяться (реакция 1). Продукты реакции охладили до комнатной температуры. При этом образовалось только 2 вещества: жидкость X (продукт многотоннажного промышленного производства) и газ Y. Как Х, так и Y не окисляются KMnO₄ даже в жёстких условиях. X можно получить из B в одну стадию (реакция 2). B используется для газовой сварки и резки металлов и получается в промышленности при пиролизе метана (реакция 3). Окисление исходной смеси двух углеводородов избытком перманганата калия в серной кислоте при нагревании (реакции 4, 5) приводит к единственному органическому продукту Z, не содержащему третичных атомов углерода. На нейтрализацию 2.19 г Z требуется 3.75 г раствора NaOH с массовой долей 32 %.

X в реакции с хлороформом, CHCl₃ (реакция 6) в присутствии хлорида алюминия даёт красное окрашивание; продуктом, однако, является бесцветный твёрдый углеводород С. При действии на С металлического натрия выделяется водород и образуется соль красного цвета (соединение D) (реакция 7), которая при добавлении водного раствора хлорида аммония превращается обратно в C (реакция 8). Окисление D действием K₃[Fe(CN)₆] даёт стабильный радикал E (реакция 9), открытый Гомбергом в 1900 г. Этот радикал имеет жёлтый цвет и сосуществует в химическом равновесии с бесцветным димером F, имеющим 9 типов атомов водорода (реакция 10).

Напишите структурные формулы А–F, X, Y, Z и уравнения указанных реакций.

Напишите, как будет меняться интенсивность окраски равновесной смеси E и F при увеличении давления при постоянной температуре. Поясните свой ответ.