Номер 535, страница 119 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

535. Раствор фенола в бензоле (масса раствора равна $20 \text{ г}$) обработали избытком водного раствора гидроксида калия. Водный слой отделили. Органический слой обработали нитрующей смесью и с выходом $65 \%$ получили мононитропроизводное массой $18,4 \text{ г}$. Определите массовую долю фенола в исходном растворе.

Дано:

$m(раствора) = 20$ г

$m_{практ}(мононитропроизводное) = 18.4$ г

$\eta = 65\% \text{ или } 0.65$

Найти:

$\omega(C_6H_5OH)$ — массовая доля фенола в исходном растворе.

Решение:

Исходный раствор содержит фенол ($C_6H_5OH$) и бензол ($C_6H_6$).

1. При обработке раствора избытком водного раствора гидроксида калия ($KOH$) фенол, обладающий кислотными свойствами, реагирует с образованием водорастворимого фенолята калия, который переходит в водный слой. Бензол с $KOH$ не реагирует и остается в органическом слое.

$C_6H_5OH + KOH \rightarrow C_6H_5OK + H_2O$

2. После отделения водного слоя органический слой, содержащий весь бензол из исходной смеси, обрабатывают нитрующей смесью. Происходит реакция нитрования бензола с образованием его мононитропроизводного — нитробензола ($C_6H_5NO_2$).

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$

3. Рассчитаем массу бензола в исходном растворе, исходя из массы полученного нитробензола и выхода реакции.

Молярные массы веществ:

$M(C_6H_5NO_2) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 123$ г/моль.

$M(C_6H_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78$ г/моль.

Сначала найдем теоретическую массу нитробензола, которая образовалась бы при 100% выходе:

$m_{теор}(C_6H_5NO_2) = \frac{m_{практ}(C_6H_5NO_2)}{\eta} = \frac{18.4 \text{ г}}{0.65} \approx 28.31$ г.

Согласно уравнению реакции нитрования, соотношение молей бензола и нитробензола составляет 1:1 ($\nu(C_6H_6) = \nu_{теор}(C_6H_5NO_2)$). Найдем массу бензола, которая вступила в реакцию:

$m(C_6H_6) = \nu_{теор}(C_6H_5NO_2) \cdot M(C_6H_6) = \frac{m_{теор}(C_6H_5NO_2)}{M(C_6H_5NO_2)} \cdot M(C_6H_6)$

Подставим значения и вычислим массу бензола, проведя расчет в одно действие для точности:

$m(C_6H_6) = \frac{18.4 \text{ г}}{0.65 \cdot 123 \text{ г/моль}} \cdot 78 \text{ г/моль} = \frac{1435.2}{79.95} \approx 17.95$ г.

4. Теперь мы можем найти массу фенола в исходном 20-граммовом растворе:

$m(C_6H_5OH) = m(раствора) - m(C_6H_6) = 20 \text{ г} - 17.95 \text{ г} = 2.05$ г.

5. Наконец, определим массовую долю фенола в исходном растворе:

$\omega(C_6H_5OH) = \frac{m(C_6H_5OH)}{m(раствора)} \cdot 100\% = \frac{2.05 \text{ г}}{20 \text{ г}} \cdot 100\% = 10.25\%$.

Ответ: Массовая доля фенола в исходном растворе составляет $10.25\%$.