Химия
8 класс
Вопрос
Ученик $X$ хотел убедиться в том, что окисление азотной кислотой известного спирта $A$ приводит к образованию соответствующего кетона $B$. Для этого он окислил 10 г взятого спирта избытком азотной кислоты и определил количества продуктов реакции. Высушенный газообразный продукт реакции, который, по мнению ученика $X$, был двуокисью азота, был поглощен в поглотительных трубках,
заполненных $KOH$. Прирост массы трубок при этом соет вил 9,4 г. На основании этого ученик $X$ вычислил, что выход кетона равен 90% от теоретически возможного. Далее ученик $X$ ознакомил с результатами своего опыта ученика $Y$ и предложил ему выяснить, какой спирт он взял для окисления. Ученик $Y$ решил эту задачу и определил как молекулярную формулу спирта $A$, так и кетона $B$.
Со своими результатами ученики обратились к преподавателю, который указал им на ошибку: исходный спирт реагировал с азотной кислотой двумя путями. В одной реакции которая была основной, азотная кислота восстанавливалась до $NO_2$, в другой же - она восстанавливалась до $NO$, а следовательно, проведенные расчеты были неточными. Учитывая полученные учениками результаты, преподаватель предложил им вычислить, какая доля спирта участвовала в одной реакции, а какая - в другой. Расчеты должны были производиться с учетом следующих ограничений:
1) окисление спирта проходит только в соответствии с названными двумя уравнениями;
2) выход кетона оказывается количественным;
3) эквимолекулярная смесь названных двух окислов азота поглощается в поглотительной трубке количественно, а избыток двуокиси азота поглощается на 95 %.
Ученики провели необходимые расчеты, успешно справившись с поставленной задачей.
а. Воспроизведите ход расчетов при первом варианте решения задачи вторым учеником и установите формулу спирта $A$ и кетона $B$.
б. Проведите необходимую корректировку хода расчетов и установите, какая доля спирта (в процентах) участвовала в каждой из названных окислительно-восстановительных реакций.
в. Напишите уравнения реакций, происходящих при поглощении смеси $NO$ и $NO_2$ (возможно также $N_2O_3$ и $NA$) едким кали.
Ответ
Схема расчетов ученика $Y$
$C_nH_{2n+2}O + 2HNO_3 \rightarrow C_nH_{2n}O + 2NO_3 + 2H_2O$.
Молекулярная масса спирта $A$ равна $M = 12n (2n + 2) \cdot 1 + 16 = 14n + 18$.
Из $(14n + 18)$ г спирта $A$ получается 92 г $NO_2$,
из 10 г спирта $A$ - $(NULL,4 : 0,9)$ г $NO_2$, где 0,9 - выход кетона $B$. Отсюда $n = 5,03 \simeq 5$, следовательно, неизвестный спирт $A$ представляет собой один из вторичных пентанолов $C_5H_{12}O$, а кетон $B$ имеет состав $C_5H_{10}O$.
После корректировки исходных данных расчеты можно выполнить по следующей схеме:
$C_5H_{12}O + 2HNO_3 \rightarrow C_5H_{10}O + 2NO_2 + 2H_2O$, (1)
$3C_5H_{12}O + 2HNO_3 \rightarrow C_5H_{10}O + 2 NO + 4H_2O$. (2)
В реакцию (1) вступило $x$ молей спирта, которые дали $2x$ молей $NO_2$; в реакцию (2) вступило у молей спирта, в результате чего образовалось 2/3 $y$ молей $NO$.
По уточненным данным можно составить систему уравнений
$\begin{cases} 88 \cdot (x + y) = 10 \\ 2/3y \cdot (46 + 30) + (2x - 2/3y) \cdot 46 \cdot 0,95 = 9,4 \end{cases}$,
откуда $x = 0,1056$, $y = 0,0081$.
Следовательно, в реакцию (1) вступило 0,1056 моля, или $0,1056 \cdot 88 = 9,29$ г (NULL,9 %), спирта, а в реакцию (2) $0,0081 \cdot 88 = 0,71$ г (NULL,1 %) спирта.
Поглощение газов происходило по уравнениям
$2NO_2 + 2KOH = KNO_3 + KNO_2 + H_2O$,
$N_2O_4 + 2KOH = KNO_3 + KNO_2 + H_2O$,
$NO + NO_2 = N_2O_3$,
$N_2O_3 + 2KOH = 2KNO_2 + H_2O$.
Спиртом $A$ мог быть один из следующих спиртов:
$\underset {\: пентанол-2}{CH_3CH_2CH_2CHOHCH_3} \: \underset {\: пентанол-3}{CH_3CH_2CHOHCH_2CH_3} \: \underset {\: 3-метилбутанол-2}{(CH_3)_2CHCHOHCH_3}$.