Вопрос школьника
Рассчитайте объемную долю (%) каждого из газов в смеси, состоящей из азота, оксида углерода(ii) и оксида углерода(iv), если при пропускании 10 л такой смеси (н. у.) вначале через избыток известковой воды, а затем над нагретым оксидом меди(ii) выпадает 15 г осадка и образуется 8,2 г меди
Ответ от учителя
Для решения задачи необходимо использовать реакции, которые происходят при взаимодействии каждого газа с известковой водой и оксидом меди(ii).
1. Реакция азота с известковой водой:
Ca(OH)2 + 2N2 → Ca(NO3)2 + 2H2O
2. Реакция оксида углерода(ii) с известковой водой:
Ca(OH)2 + CO → CaCO3 + H2O
3. Реакция оксида углерода(iv) с известковой водой:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
4. Реакция оксида углерода(ii) с оксидом меди(ii):
CuO + CO → Cu + CO2
Из уравнений реакций видно, что азот не реагирует с оксидом меди(ii), поэтому его объемная доля в смеси останется неизменной и будет равна:
V(N2) = (10 — V(CO2) — V(CO)) / 10 * 100%
где V(CO2) и V(CO) — объемные доли оксида углерода(iv) и оксида углерода(ii) соответственно.
Для определения объемных долей оксида углерода(ii) и оксида углерода(iv) необходимо использовать данные о количестве осадка и меди, образовавшейся в результате реакции с оксидом меди(ii).
Масса меди, образовавшейся в результате реакции:
m(Cu) = 8,2 г
Масса осадка, образовавшегося в результате реакции с известковой водой:
m(CaCO3) = 15 г
Молярная масса меди:
M(Cu) = 63,5 г/моль
Молярная масса карбоната кальция:
M(CaCO3) = 100,1 г/моль
Количество меди, участвующей в реакции с оксидом углерода(ii):
n(Cu) = m(Cu) / M(Cu) = 0,129 моль
Количество оксида углерода(ii), участвующего в реакции с медью:
n(CO) = n(Cu) / 2 = 0,0645 моль
Количество карбоната кальция, образовавшегося в результате реакции с известковой водой:
n(CaCO3) = m(CaCO3) / M(CaCO3) = 0,149 моль
Количество оксида углерода(ii), участвующего в реакции с известковой водой:
n(CO) = n(CaCO3) = 0,149 моль
Количество оксида углерода(iv), участвующего в реакции с известковой водой:
n(CO2) = n(CaCO3) = 0,149 моль
Объемы газов можно рассчитать по уравнению состояния идеального газа:
V = n * R * T / P
где n — количество вещества газа, R — универсальная газовая постоянная, T — температура газа в Кельвинах, P — давление газа в Паскалях.
Для расчета объемных долей газов необходимо найти их объемы при одинаковых условиях температуры и давления. Предположим, что температура и давление равны нормальным условиям (0°C, 101,3 кПа).
Объемы газов:
V(N2) = (10 — V(CO2) — V(CO)) / 10 * 22,4 л/моль * 273,15 К / 101325 Па = (10 — V(CO2) — V(CO)) * 0,0224 м3
V(CO) = n(CO) * 22,4 л/моль * 273,15 К / 101325 Па = 0,0645 * 0,0224 * 273,15 / 101325 = 0,0004 м3
V(CO2) = n(CO2) * 22,4 л/моль * 273,15 К / 101325 Па = 0,149 * 0,0224 * 273,15 / 101325 = 0,004 м3
Объемная доля газов:
V(N2) = (10 — V(CO2) — V(CO)) * 0,0224 / 10 * 100% = (10 — 0,004 — 0,0004) * 0,0224 / 10 * 100% = 79,6%
V(CO) = 0,0004 / 10 * 100% = 0,004%
V(CO2) = 0,004 / 10 * 100% = 0,04%
Таким образом, объемная доля азота составляет 79,6%, объемная доля оксида углерода(ii) — 0,004%, объемная доля оксида углерода(iv) — 0,04%.
