Условие задачи

Чёрный порох представляет собой смесь нитрата калия, угля и серы. Какие реакции протекают при горении пороха, если продуктами этого процесса являются сульфид калия, углекислый газ и молекулярный азот? Составьте уравнения реакций горения. Какой объём газов выделится при сгорании 169 г чёрного пороха?

Решение

Наша задача относится к разделу неорганической химии, а именно – к уравнениям химических реакций окислительно-восстановительного горения. В чёрном порохе (смеси нитрата калия, угля и серы) нитрат калия играет роль окислителя, а уголь и сера – восстановителей. При сгорании образуются сульфид калия, углекислый газ и молекулярный азот.

Нужно составить такое уравнение реакции, чтобы из исходных веществ KNO₃, S и C получались заданные продукты K₂S, CO₂ и N₂.

Рассмотрим общее стехиометрическое уравнение реакции в виде:

a KNO₃ + b S + c C → d K₂S + e CO₂ + f N₂.

Составим баланс по элементам:

1. Калий (K): в левой части a атомов, а в правой d∙2 атомов → a = 2d.
2. Азот (N): в KNO₃ по 1 атому, в N₂ по 2 атома → a = 2f.
3. Сера (S): в левой b атомов, в правой в K₂S содержится 1 атом S на каждую формулу → b = d.
4. Кислород (O): в KNO₃ по 3 атома, всего 3a; в CO₂ по 2 атома, всего 2e → 3a = 2e ⇒ e = (3a)/2.
5. Углерод (C): в левой c атомов, а в CO₂ e атомов → c = e = (3a)/2.

Выберем минимальное целое значение для a, например, a = 2. Тогда:
d = a/2 = 1; f = a/2 = 1; e = 3a/2 = 3; c = 3; b = d = 1.

Таким образом, итоговое уравнение реакции имеет вид:

2 KNO₃ + S + 3 C → K₂S + 3 CO₂ + N₂

Проверим баланс:
• K: 2 на левой и 2 (в K₂S) на правой;
• N: 2 на левой и 2 (в N₂) на правой;
• O: 2×3 = 6 на левой и 3×2 = 6 на правой;
• S: 1 и 1;
• C: 3 и 3.
Все элементы уравновешены.

Далее перейдём к расчёту объёма газов, выделяющихся при сгорании 169 г пороха. При реакции газообразными являются CO₂ и N₂. В уравнении образуется 3 моль CO₂ и 1 моль N₂, то есть всего 4 моль газов.

Определим, какая масса соответствует 1 полному «условному» количеству черного пороха. Для стехиометрии используем молярные массы исходных веществ:
• М(KNO₃) = 39 (K) + 14 (N) + 3×16 (O) = 39 + 14 + 48 = 101 г/моль;
• М(S) = 32 г/моль;
• М(C) = 12 г/моль.

По уравнению расход веществ:
2 KNO₃: 2×101 = 202 г;
S: 32 г;
3 C: 3×12 = 36 г.
Общая масса смеси = 202 + 32 + 36 = 270 г.

Из 270 г пороха выделяется 4 моль газов. Отсюда количество газа, выделяющегося при сгорании 1 г пороха, равно 4/270 моль.

При сгорании 169 г пороха число моль газов равно:

n = (4/270) × 169 = 676/270 ≈ 2,50 моль.

При нормальных условиях (обычно используют объём 22,4 л для 1 моль газа) объём газов будет:

V = n × 22,4 л/моль ≈ 2,50 × 22,4 = 56,0 л.

Таким образом, при сгорании 169 г чёрного пороха выделится около 56 литров газообразных продуктов.

Ответ:

1. Уравнение реакции:
2 KNO₃ + S + 3 C → K₂S + 3 CO₂ + N₂
2. Объём выделившихся газов – примерно 56 л.