412. Имеется смесь азота и водорода. Азот получен термическим разложением 12,8 г нитрита аммония, водород — растворением 19,5 г цинка в избытке разбавленной серной кислоты. В соответствующих условиях газы прореагировали, а затем их пропустили через 100 мл 32%-ного раствора серной кислоты (плотность 1,22 г/мл). Определите, какой газ оказался в избытке, и какова массовая доля соли в растворе. Считать, что все реакции проходят с выходом 100%.

Решение:

1. Расчет количества азота (N₂).

Термическое разложение нитрита аммония:

\( NH_4NO_2 \xrightarrow{\Delta} N_2 \uparrow + 2H_2O \)

Молярная масса \( NH_4NO_2 = 14.01 + 4 \cdot 1.008 + 14.01 + 2 \cdot 16.00 = 64.05 \text{ г/моль} \).

Количество нитрита аммония: \( n(NH_4NO_2) = \frac{12.8 \text{ г}}{64.05 \text{ г/моль}} \approx 0.1998 \text{ моль} \).

По уравнению реакции, \( n(N_2) = n(NH_4NO_2) = 0.1998 \text{ моль} \).

2. Расчет количества водорода (H₂).

Растворение цинка в серной кислоте:

\( Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow \)

Молярная масса \( Zn = 65.38 \text{ г/моль} \).

Количество цинка: \( n(Zn) = \frac{19.5 \text{ г}}{65.38 \text{ г/моль}} \approx 0.2982 \text{ моль} \).

По уравнению реакции, \( n(H_2) = n(Zn) = 0.2982 \text{ моль} \).

3. Реакция азота и водорода (синтез аммиака).

\( N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 \)

Соотношение реагентов: \( n(N_2) = 0.1998 \text{ моль} \), \( n(H_2) = 0.2982 \text{ моль} \).

Для реакции требуется \( 3 \cdot n(N_2) = 3 \cdot 0.1998 = 0.5994 \text{ моль} \) водорода. Имеем только 0.2982 моль водорода.

Следовательно, водород является лимитирующим реагентом. Азот будет в избытке.

Количество прореагировавшего водорода = 0.2982 моль.

Количество прореагировавшего азота = \( \frac{n(H_2)}{3} = \frac{0.2982}{3} \approx 0.0994 \text{ моль} \).

Количество непрореагировавшего азота = \( n(N_2)_{\text{изб.}} = n(N_2)_{\text{нач.}} - n(N_2)_{\text{прор.}} = 0.1998 - 0.0994 = 0.1004 \text{ моль} \).

Образовавшийся аммиак: \( n(NH_3) = 2 \cdot n(N_2)_{\text{прор.}} = 2 \cdot 0.0994 \approx 0.1988 \text{ моль} \).

4. Пропускание газов через раствор серной кислоты.

Непрореагировавший азот (N₂) не реагирует с серной кислотой.

Аммиак (NH₃) является основанием и реагирует с серной кислотой:

\( 2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4 \)

Количество серной кислоты в растворе:

Масса раствора = \( 100 \text{ мл} \cdot 1.22 \text{ г/мл} = 122 \text{ г} \).

Масса \( H_2SO_4 \) = \( 122 \text{ г} \cdot 0.32 = 39.04 \text{ г} \).

Молярная масса \( H_2SO_4 = 2 \cdot 1.008 + 32.07 + 4 \cdot 16.00 = 98.09 \text{ г/моль} \).

Количество серной кислоты: \( n(H_2SO_4) = \frac{39.04 \text{ г}}{98.09 \text{ г/моль}} \approx 0.3980 \text{ моль} \).

Количество аммиака = 0.1988 моль.

Для реакции с аммиаком потребуется \( \frac{n(NH_3)}{2} = \frac{0.1988}{2} = 0.0994 \text{ моль} \) серной кислоты.

Так как \( n(H_2SO_4) = 0.3980 \text{ моль} \) > 0.0994 моль, серная кислота в избытке.

Прореагировало \( H_2SO_4 \) = 0.0994 моль.

Образовался сульфат аммония \( (NH_4)_2SO_4 \).

Количество сульфата аммония: \( n((NH_4)_2SO_4) = n(NH_3) / 2 = 0.1988 / 2 = 0.0994 \text{ моль} \).

Молярная масса \( (NH_4)_2SO_4 = 2 \cdot (14.01 + 4 \cdot 1.008) + 32.07 + 4 \cdot 16.00 = 2 \cdot 18.032 + 32.07 + 64.00 = 36.064 + 32.07 + 64.00 = 132.134 \text{ г/моль} \).

Масса сульфата аммония = \( 0.0994 \text{ моль} \cdot 132.134 \text{ г/моль} \approx 13.13 \text{ г} \).

Масса раствора после реакции:

Исходная масса раствора = 122 г.

Масса пропущенных газов (N₂ и NH₃): \( m(N_2) = 0.1004 \text{ моль} \cdot 28.02 \text{ г/моль} \approx 2.81 \text{ г} \).

\( m(NH_3) = 0.1988 \text{ моль} \cdot 17.03 \text{ г/моль} \approx 3.38 \text{ г} \).

Общая масса пропущенных газов = 2.81 + 3.38 = 6.19 г.

Масса конечного раствора = масса исходного раствора + масса пропущенных газов = 122 г + 6.19 г = 128.19 г.

Массовая доля соли в растворе:

\( w((NH_4)_2SO_4) = \frac{m((NH_4)_2SO_4)}{m_{\text{раствора}}} = \frac{13.13 \text{ г}}{128.19 \text{ г}} \approx 0.1024 \approx 10.24 \% \).

5. Определим, какой газ оказался в избытке.

В реакции синтеза аммиака \( N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3 \), азот был в избытке.

Ответ: В избытке оказался азот (N₂). Массовая доля соли \( (NH_4)_2SO_4 \) в растворе составляет приблизительно 10.24%.