Готовимся к олимпиадам, страница 160 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. В последнее время для промышленного получения фосфорной кислоты предлагают использовать реакцию окисления фосфора водяным паром при температуре $600-700 \text{ °С}$ в присутствии катализаторов. В результате взаимодействия образуются водород и оксид фосфора(V), который превращается в фосфорную кислоту. Рассчитайте массу фосфора, при окислении которого выделится водород химическим количеством $100 \text{ моль}$, если его практический выход равен $90 \%$. Предложите способы использования водорода, выделяющегося в результате этой реакции.

Рассчитайте массу фосфора, при окислении которого выделится водород химическим количеством 100 моль, если его практический выход равен 90 %.

Дано:

Практическое химическое количество водорода $n_{практ}(H_2) = 100$ моль

Практический выход продукта $\eta = 90\% = 0.9$

Найти:

Массу фосфора $m(P)$

Решение:

1. Сначала составим уравнение химической реакции окисления фосфора водяным паром. В результате, как указано в условии, образуются оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) и водород ($H_2$):

$2P + 5H_2O \xrightarrow{t, кат.} P_2O_5 + 5H_2$

2. Практический выход продукта ($\eta$) определяется отношением практически полученного количества вещества ($n_{практ}$) к теоретически возможному ($n_{теор}$). Рассчитаем теоретическое количество водорода, которое должно было образоваться при 100%-ном выходе:

$\eta = \frac{n_{практ}(H_2)}{n_{теор}(H_2)}$

Из этой формулы выразим теоретическое количество водорода:

$n_{теор}(H_2) = \frac{n_{практ}(H_2)}{\eta} = \frac{100 \text{ моль}}{0.9} = \frac{1000}{9} \text{ моль} \approx 111.11$ моль

3. Используя уравнение реакции, определим количество вещества фосфора ($n(P)$), которое теоретически необходимо для получения $111.11$ моль водорода. Согласно стехиометрическим коэффициентам, соотношение фосфора и водорода составляет 2:5.

$\frac{n(P)}{2} = \frac{n_{теор}(H_2)}{5}$

$n(P) = \frac{2}{5} \cdot n_{теор}(H_2) = \frac{2}{5} \cdot \frac{1000}{9} \text{ моль} = \frac{400}{9} \text{ моль} \approx 44.44$ моль

4. Теперь рассчитаем массу фосфора, зная его количество вещества и молярную массу ($M(P) \approx 31$ г/моль).

$m(P) = n(P) \cdot M(P) = \frac{400}{9} \text{ моль} \cdot 31 \frac{\text{г}}{\text{моль}} = \frac{12400}{9} \text{ г} \approx 1377.8$ г

Переведем массу в килограммы для удобства: $1377.8 \text{ г} \approx 1.38$ кг.

Ответ: для получения 100 моль водорода с выходом 90% потребуется фосфор массой приблизительно 1378 г (или 1.38 кг).

Предложите способы использования водорода, выделяющегося в результате этой реакции.

Водород, получаемый как побочный продукт в данном процессе, является ценным химическим сырьем и перспективным энергоносителем. Его можно эффективно использовать в следующих направлениях:

1. Химическая промышленность. Это основная сфера применения водорода. Его используют для:
- Синтеза аммиака по процессу Габера-Боша, который является сырьем для производства азотных удобрений.
- Производства метанола, важного растворителя и прекурсора в органическом синтезе.
- Гидрирования (гидрогенизации) в нефтепереработке (гидрокрекинг, гидроочистка топлива от серы) и в пищевой промышленности (производство маргарина из растительных масел).
- Синтеза хлороводорода для получения соляной кислоты.

2. Энергетика. Водород рассматривается как топливо будущего из-за его высокой теплоты сгорания и экологической чистоты (продукт сгорания — вода). Его можно использовать:
- В топливных элементах для выработки электроэнергии для транспорта и стационарных установок.
- В качестве компонента ракетного топлива (жидкий водород).

3. Металлургия. Водород применяется как восстановитель для получения чистых металлов, особенно тугоплавких (например, вольфрама, молибдена), из их оксидов.

Ответ: Выделяющийся водород можно использовать в химической промышленности (для синтеза аммиака, метанола, в процессах гидрирования), в энергетике (в качестве экологически чистого топлива в топливных элементах или как компонент ракетного топлива) и в металлургии (как восстановитель металлов).