Реакция серы с горячей концентрированной азотной кислотой идет по уравнению:
S+6HNO3=H2SO4+6NO2+2H2O (1)
Вычислим молярные массы и массы веществ из уравнения реакции :
M(S)=32 г/моль m(S)= 32*1=32г
M(HNO3)=1+14+48=63 г/моль m(HNO3)=6*63=378г
M(H2SO4)=2+32+64=98 г/моль m(H2SO4)=1*98=98г
M(NO2)=14+32=46 г/моль m(NO2)=6*46=276г
M(H2O)=2+16=18г/моль m(H2O)=2*18г
Если в 85% растворе содержится 378 г HNO3, то масса раствора будет
378/0,85=444,706 г, а масса воды в этом растворе будет соответственно
444,706*0,15=66,706 г воды, что соответствует 66,706/18=3,706 моль воды.
Добавим эти 3,706 моль в уравнение реакции с двух сторон:
S+3,706 H2O+6HNO3=H2SO4+6NO2+2H2O+3,706 H2O(2)
Это уравнение соответствует реакции серы и азотной кислоты если бы они были взяты без избытка-недостатка, но по условию задачи нам известно, что в растворе после реакции осталась непрореагировавшая азотная кислота, то есть в начале реакции имел место избыток 85% раствора азотной кислоты состава 3,706 H2O+6HNO3. Обозначим коэффициент перед этим избыточным раствором через k и добавим его с двух сторон к реакции уравнения:
S+3,706 H2O+6HNO3+k*3,706 H2O+k*6HNO3=H2SO4+6NO2+2H2O+3,706 H2O+ k*3,706 H2O+k*6HNO3 (3)
Просуммируем коэффициенты перед одними и теми же веществами:
До реакции H2O: 3,726+ k*3,706=3,706*(k+1)
До реакции HNO3: 6+ k*6=6*(k+1)
После реакции H2O: 2+3,706+ k*3,706=5,706+ k*3,706
И перепишем уравнение с этими коэффициентами:
S+(3,706*(k+1))H2O+(6*(k+1))HNO3=H2SO4+6NO2+(5,706+ k*3,706)H2O+k*6HNO3 (4)
После реакции у нас остается раствор в который входит серная кислота, азотная кислота и вода (диоксид азота улетучился). И нам известно что массовая доля азотной кислоты упала вдвое, т.е. стала равна 0,425.
Найдем из уравнения (4) массу раствора после реакции – она равна сумме масс всех веществ кроме массы оксида азота
M(H2SO4)=2+32+64=98 г/моль m(H2SO4)=1*98=98г
M(H2O)=2+16=18г/моль m(H2O)= (5,706+ k*3,706)*18г=102,708+k* 66,708 г
M(HNO3)=1+14+48=63 г/моль m(HNO3)= k*6*63= k *378г
m (раствора)= M(H2SO4)+ M(H2O) M(HNO3)=98+102,708+k* 66,708+ k *378=
=200,708+444,708 k
Запишем уравнение для массовой доли азотной кислоты после реакции:
0,425= M(HNO3)/ m (раствора)=( k *378)/ 200,708+ 444,708* k
И решим его относительно k:
378 k=0,425*(200,708+ 444,708*k) = 85,301+189,001 k
188,999 k =85,301
k=0,45
Теперь подставим найденный нами коэффициент в уравнение(4):
S+(3,706*(0,45+1))H2O+(6*(0,45+1))HNO3=H2SO4+6NO2+(5,706+ 0,45*3,706)H2O+0,45*6HNO3
Или
S+5,374H2O+8,7HNO3=H2SO4+6NO2+7,374H2O+2,7HNO3 (5)
Найдем из уравнения (5) массу раствора после реакции – она равна сумме масс всех веществ кроме массы оксида азота
M(H2SO4)=2+32+64=98 г/моль m(H2SO4)=1*98=98г
M(H2O)=2+16=18г/моль m(H2O)= 7,374*18г=132,732 г
M(HNO3)=1+14+48=63 г/моль m(HNO3)= 2,7*63= 170,1 г
m (раствора)= M(H2SO4)+ M(H2O) M(HNO3)=98+132,732+170,1=400,832г
Найдем массовую долю серной кислоты
w (H2SO4)= M(H2SO4)/ m (раствора)=98/400.832=0.2445 или 24.45%.
Как то так.
Можно пойти по принципу «горе от ума» и вспомнить что диоксид азота реагирует с водой с образованием азотной и азотистой кислот, и пересчитать раствор и молярные соотношения веществ в растворе с учетом этого, но это тут лишнее как мне кажется.
