Химия
8 класс
Вопрос
Из смеси газов, полученных в результате окисления аммиака на платиновой сетке, взята проба, объем которой при $80^{\circ} С$ и давлении 740 мм рт. ст. равен $1,000 дм^3$. На новании методов объемного газового анализа установлено, что в смеси присутствуют азот, окись азота $NO$, водяной пар и аммиак. При анализе для поглощения двух из четырех выше перечисленных газов поочередно использовали две поглотительные склянки, наполненные концентрированной $H_2SO_4$ и безводным $CaCl_2$. Поглощение проводилось в разумной последовательности, причем убыль объема газа составляла $100 см^3$ и $20 см^3$ газа. К оставшимся газам добавили $1,000 дм^3$ чистого кислорода и полученную смесь встряхнули с концентрированным раствором $KOH$. Оставшиеся газы пропустили через промывные склянки с водой и белым фосфором. После осушения осталось $800 см^3$ газов (объем измеряли при первоначальных условиях).
Предполагая, что 99,75 % азота имеют атмосферное происхождение, вычислите, какой процент аммиака был окислен до окиси азота.
Ответ
Окисление аммиака происходит по уравнению
$4NH_3 + 5O_2 = 4NO + 6H_2O$
(побочными продуктами реакции являются азот и высшие окислы азота).
Промывные склянки следует расположить в следующем порядке: а) $CaCl_2$ - поглощение воды; б) $H_2SO_4$ - поглощение аммиака.
(Выбор осушителя произведен неудачно, так как аммиак с $CaCl_2$ также образует молекулярные комплексы. Для поглощения паров воды следовало бы взять твердую щелочь или окись кальция, которые инертны по отношению к аммиаку, Кроме того, серная кислота, впрочем, как и указанные агенты основного характера, будет поглощать также и высшие окислы азота.).
Из условия задачи следует, что в состав полученной газовой смеси входят 10 % паров воды и 2 % аммиака (по объему). После очистки остается смесь $NO$ и $N_2$. Легко убедиться, что кислород взят в избытке. Он окисляет $NO$ до $NO_2$:
$2NO + O_2 = 2NO_2$.
Образовавшаяся $NO_2$ реагирует с концентрированным раствором щелочи
$3NO_2 + 2KOH = 2KNO_3+ NO + H_2O$.
Выделяющаяся в процессе реакции окись азота вновь окисляется кислородом и реагирует с раствором щелочи до полного удаления из газовой смеси. Суммарный процесс описывается уравнением
$4NO_2 + O_2 + KOH = 4KNO_3 + 2H_2O$.
Избыток кислорода удаляется белым фосфором. Оставшийся газ ($800 см^3$) представляет собой чистый азот, причем 0,25 % из этого количества азота образовалось при окислении аммиака, а 99,75 % (т. е. $798 см^3$) внесено с атмосферам воздухом.
Таким образом, в состав газа после окисления входят 80 % $N_2$, 10 % паров $H_2O$, 2 % аммиака и 8 % $NO$ (содержание $NO$ вычисляется по разности).
Объем аммиака, необходимый для получения $1000 cм^3$ такой газовой смеси, равен $80 + 20 + 2 \cdot 2 = 104 см^3$, из которых $80 см^3$ окисляется до $NO$. Следовательно, выход процесса равен $80 : 104 = 0,77$, или 77 %.