Question

Водород объемом 3,36 л (н.у.) пропустили при нагревании над порошком оксида меди (II) массой 16 г. Образовавшийся в результате этой реакции остаток растворили в 535,5 г 20%-ной азотной кислоты, в результате чего выделился бесцветный газ, буреющий на воздухе. Определите массовую долю азотной кислоты в полученном растворе (процессами гидролиза пренебречь). В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения исходных физических величин).

Answer 1

При пропускании водорода над оксидом меди (II) восстанавливается медь: CuO + H2 → Cu + H2O (нагревание) (I)
Твердый остаток, состоящий из металлической меди и оксида меди (II), реагирует с раствором азотной кислоты согласно уравнениям: 3Cu + 8HNO3(20%-ный р-р) → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O (II) CuO + 2HNO3(20%-ный р-р) → Cu(NO3)2 + H2O (III)
Вычислим количество вещества водорода и оксида меди (II), участвовавших в реакции (I): ν(H2) = V(H2)/Vm = 3,36 л/22,4 л/моль = 0,15 моль, ν(CuO) = 16 г/80 г/моль = 0,2 моль.
По уравнению реакции (I) ν(H2) = ν(CuO), а по условию задачи количество вещества водорода в недостатке (0,15 моль H2 и 0,1 моль CuO), поэтому оксид меди (II) прореагировал не полностью.
Расчет ведем по недостатку вещества, следовательно, ν(Cu) = ν(H2) = 0,15 моль и νост.(CuO) = 0,2 моль – 0,15 моль = 0,05 моль.
Для расчета в дальнейшем массы раствора необходимо знать массы образовавшейся меди и непрореагировавшего оксида меди (II): m(Cu) = ν(Cu) • M(Cu) = 0,15 моль • 64 г/моль = 9,6 г; mост.(CuO) = ν(CuO) •  M(CuO) = 0,05 моль • 80 г/моль = 4 г.
Общая масса твердого остатка равна: m(тв. ост.) = m(Cu) + mост.(CuO) = 9,6 г + 4 г = 13,6 г.
Вычисли исходные массу и количества вещества азотной кислоты: mисх.(HNO3) = m(р-ра HNO3) • ω(HNO3) = 535,5 г • 0,2 = 107,1 г; νисх.(HNO3) = mисх.(HNO3)/M(HNO3) = 107,1 г/63 г/моль = 1,7 моль.
По уравнению реакции (II) νII(HNO3) = 8/3ν(Cu), по уравнению реакции (III) νIII(HNO3) = 2ν(CuO), следовательно, νобщ.(HNO3) = νII(HNO3)  + νIII(HNO3) = 8/3 • 0,15 моль + 2 • 0,05 мольмо = 0,5 ль.
Общая масса прореагировавшей в результате реакций (II) и (III) равна: mобщ.(HNO3) = νобщ.(HNO3) • M(HNO3) = 0,5 моль • 63 г/моль = 31,5 г.
Вычислим массу непрореагировавшей азотной кислоты: mост.(HNO3) = mисх.(HNO3) – mобщ.(HNO3) = 107,1 г – 31,5 г = 75,6 г.
Для того чтобы вычислить массу образовавшегося раствора, необходимо учесть массу оксида азота (II), выделяющегося в реакции (II): ν(NO) = 2/3ν(Cu), следовательно, ν(NO) = 2/3 • 0,15 моль = 0,1 моль и m(NO) = ν(NO) • M(NO) = 0,1 моль • 30 г/моль = 3 г.
Вычислим массу образовавшегося раствора: m(р-ра) = m(тв. ост.) + m(р-ра HNO3) – m(NO) = 13,6 г + 535,5 г – 3 г = 546,1 г.
Массовая доля азотной кислоты в образовавшемся растворе равна: ω(HNO3) = mост.(HNO3)/m(р-ра) • 100% = 75,6 г/546,1 г • 100% = 13,84%.