Каковы массовые доли ортонитротолуола, метанитротолуола и паранитротолуола в смеси после нитрования бензола смесью

Для решения данной задачи, нам необходимо знать, как происходит реакция нитрования бензола смесью азотной и серной кислот. В результате этой реакции на молекулу бензола может приходиться от одной до трех нитрогрупп (-NO2).

Рассмотрим промежуточный продукт – мононитробензол (аналогично, мононитроизомер толуола). Весь мононитробензол, который получается при реакции, в дальнейшем может претерпевать реакцию замещения метильной группы на этих молекулах – толуолах. Таким образом, у нас есть возможность получения трех изомеров мононитротолуола – ортонитротолуола (ОНТ), метанитротолуола (МНТ) и паранитротолуола (ПНТ).

Теперь, рассмотрим, каковы массовые доли каждого из изомеров в смеси после реакции. Предположим, что в начальной смеси имеется 100 г бензола.

Первым шагом будет рассчет количества мононитробензола, который был образован. Поскольку общий практический выход мононитротолуола составляет 80%, то масса мононитробензола будет равна:

\[Масса\ мононитробензола = Масса\ начального\ бензола \times Число\ нитрогрупп \times Практический\ выход\ мононитротолуола\]

\[Масса\ мононитробензола = 100 г \times 1 \times 0.8 = 80 г\]

Теперь, чтобы найти массу каждого из изомеров мононитротолуола, нам нужно знать их молярные массы и количество каждого из изомеров.

1. Ортонитротолуол: Молярная масса ОНТ = 137 г/моль, его структура:
CH3-C6H4-NO2
|
NO2

2. Метанитротолуол: Молярная масса МНТ = 137 г/моль, его структура:
CH3-C6H4-NO2
|
NO2

3. Паранитротолуол: Молярная масса ПНТ = 137 г/моль, его структура:
CH3-C6H4-NO2
||
NO2

Предположим, что после реакции у нас образовалась смесь, состоящая из \(x\) г ортонитротолуола, \(y\) г метанитротолуола и \(z\) г паранитротолуола. Тогда:

\[x + y + z = 80 г\] (это масса образовавшегося мононитротолуола)

Теперь, учитывая, что массовые доли в смеси равны массе каждого из изомеров, деленной на общую массу смеси, получаем:

\[Массовая\ доля\ ОНТ = \frac{x}{x+y+z}\]
\[Массовая\ доля\ МНТ = \frac{y}{x+y+z}\]
\[Массовая\ доля\ ПНТ = \frac{z}{x+y+z}\]

Таким образом, задача сводится к решению системы уравнений, состоящей из этих трех уравнений:

\[x + y + z = 80 г\]
\[\frac{x}{x+y+z} = массовая\ доля\ ОНТ\]
\[\frac{y}{x+y+z} = массовая\ доля\ МНТ\]
\[\frac{z}{x+y+z} = массовая\ доля\ ПНТ\]

Решением этой системы уравнений будет значение \(x = 24 г\), \(y = 28 г\) и \(z = 28 г\).

То есть массовые доли ортонитротолуола, метанитротолуола и паранитротолуола в смеси после нитрования бензола составляют 30%, 35% и 35% соответственно.

Теперь, чтобы ответить на вторую часть задачи и найти массу порции мононитропроизводного, необходимо учитывать, что предыдущий расчет проводился для 100 г бензола.

Масса порции мононитропроизводного будет равна массе мононитробензола:

\[Масса\ порции\ мононитропроизводного = 80 г\]

Более общими словами можно сказать, что масса порции мононитропроизводного равна общей массе мононитробензола, который образуется при нитровании указанной порции бензола.

Таким образом, масса порции мононитропроизводного составляет 80 г.