Se supune nitrării, cu o soluție de acid azotic de concentrație 63% (HNO3 , scris în
reacție sub forma de HO-NO2), în prezența acidului sulfuric (H2SO4, folosit drept catalizator),
o cantitate de 468 g de benzen. Se cere:

a) ecuația reacției chimice și denumirea produsului format
b) masa soluției de acid azotic, având concentrația de 63%, consumată în reacție
c) cantitatea de produs organic rezultat din reacție, știind că reacția se desfășoară cu un
randament de 80% (η = mp/mt x 100; unde reamintesc că η = randamentul de transformare, mp
= cantitatea practic/efectiv reazultată, mt = cantitatea teoretică sau cât s-ar obține în total)

Răspuns:

Necunoscutele de la punctele a,b, c se rezolvă prin calcul stoechiometric la ecuația chimică de nitrare a benzenului C₆H₆ cu HNO₃, în prezența de H₂SO₄. Reacția de nitrare este reacția prin care se introduce grupa una, sau mai multe grupe nitro (-NO₂), prin substituirea unui atom de hidrogen din molecula unei hidrocarburi aromatice sau alifatice.

C₆H₆ + HO-NO₂ (prezența H₂SO₄) = C₆H₅-NO₂  +  H₂O  ( cerința a)

benzen   acid azotic                         nitrobenzen     apă

Dacă condițiile de lucru sunt energice, la temperatura de 90-100 grade C și concentrații mai mari de acid se introduce a doua grupă NO₂ în poziția meta față de prima. Dar, pentru cazul de față considerăm că nu are loc.

Datele problemei:

- masa benzen, m C₆H₆= 468 g  pur

-Masa moleculară C₆H₆ = 6.A H + 6.A H = 6.12+6.1=78 g/mol

-masa de HNO₃ care va consuma total 468 g benzen= ?=X

-M HNO₃ = A H + A N +3.A O = 1+14+3.16=63 g/mol

-X  este masă dizolvată de HNO₃ în soluția de 63% HNO₃. Soluția conține apă de dizolvare și HNO₃, dar numai HNO₃ reacționează cu benzenul.

-Concentrația procentuală soluție HNO₃= C%= 63%

-masa soluție de HNO₃ de 63% = ms = ? , g

-masa de C₆H₅-NO₂ nitrobenzen, produs de 468 g benzen = ?=Y, g

-Y = cantitatea stoechiometrică de nitrobenzen, format de 468 g benzen. Ea este o cantitate teoretică, care se obține numai când nu sunt pierderi de substanță. În acest caz cantitatea de nitrobenzen calculată (teoretică) este egală cu masa de nitrobenzen care se izolează practic din reacție și se poate cântări; randamentul este 100% în nitrobenzen, nu avem pierderi.

OBS. la toate calculele stoechiometrice unde intră randamentul în produs de reacție, de pe reacția chimică, se calculează mt, pur, anhidru.

-randamentul, pentru această reacție, în nitrobenzen, η=80%, diferența până la 100% reprezintă pierderi de masă,  din cantitatea calculată (teoretică). Deci, se va izola o cantitate mai mică de nitrobenzen, pe care o notăm cantitatea practică obținută.

-m p= cantitatea practic obținută de nitrobenzen=? , g

M C₆H₅NO₂= 6.A C + 5.AH +A N + 2.A O =123 g/mol

Calcule de X, Y, mp, ms

1) X, Y, se calculează de pe reacția chimică, calcul stoechiometric, astfel:

m:  468 C₆H₆.........X, g HNO₃...................................Y, g C₆H₅NO₂ / m t

        C₆H₆           + HO-NO₂ (prezența H₂SO₄) = C₆H₅-NO₂  +  H₂O    

M:  78 g/mol...............63g/mol.......................................123 g/mol

X, Y din proporțiile corespunzătoare:

X HNO₃= 468 g.63/78 =378 g

Y C₆H₅NO₂= 468 g.123/78 = 738 g

2) ms de HNO₃, C% = 63%

C% = md.100/ms

md= X HNO₃=378 g

63% = 378 g.100%/ ms

ms= 378g.100/63=600 g soluție  HNO₃

3) mp de nitrobenzen, mt=738 g și η=80%

η= mp .100%/mt;  

80% = mp.100%/738 g

mp= 80.738 g/100=590,4 g

Verificare:

% de pierderea nitrobenzen = 100%-80% =20%

masa de  nitrobenzen, pierderea , g, din 738 g= 20%.738g/100=147,6 g

masa de nitrobenzen obținut practic=738-147,6=590,4 g

R: b) 600 g soluție acid azotic, C%=63%; c) mp = 590,4 g nitrobenzen

Explicație: