Chemistry Labs

問題 1

クレー射撃の弾薬にはニトロセルロースなどの速燃性火薬が使われる。ニトロセルロースは主にセルローストリニトレートで、セルロース（実験式 CX6HX7(OH)X3OX2\ce{C6H7(OH)3O2}）を濃硝酸と濃硫酸の混合物に加えてセルローストリニトレート（CX6HX7(ONOX2)X3OX2\ce{C6H7(ONO2)3O2}）ともう1つの生成物を得る。酸混合物中で生成するニトロニウムイオン NOX2X+\ce{NO2+} がアルコール基をニトロ化する。硝酸はルイス塩基として硫酸からプロトンを受け取り中間体 HX2NOX3X+\ce{H2NO3+} を生成し、それが分解して NOX2X+\ce{NO2+} となる。(a) セルロースと硝酸からセルローストリニトレートが生成する反応式を書け。(b) HX2NOX3X+\ce{H2NO3+} の生成式とそれが NOX2X+\ce{NO2+} に分解する式を書け。(c) セルローストリニトレートの完全燃焼は二酸化炭素・水・気体の単体を生成する。CX6HX7NX3OX11\ce{C6H7N3O11} の完全燃焼の式を書き、ΔfH∘(CO)=−110.5\Delta_f H^{\circ}(\ce{CO}) = -110.5、ΔfH∘(COX2)=−393.5\Delta_f H^{\circ}(\ce{CO2}) = -393.5、ΔfH∘(HX2O)=−285.8\Delta_f H^{\circ}(\ce{H2O}) = -285.8、ΔfH∘(セルローストリニトレート)=−653.1\Delta_f H^{\circ}(\text{セルローストリニトレート}) = -653.1 kJ mol−1^{-1} を用いて標準燃焼エンタルピーを計算せよ。(d) 発射時には空気中の酸素と反応する時間がなく、セルローストリニトレートはすべて気体生成物に分解し（OX2\ce{O2} は生成しない）、生成物は 200 ∘C200\ ^{\circ}\mathrm{C} 以上に達する。この分解の式を書き、200 ∘C200\ ^{\circ}\mathrm{C} における 5.00 g のセルローストリニトレートから生じる気体の総体積を m3^3 で求めよ。
ステップ 5/5: 分解と気体体積
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CX6HX7NX3OX11→92 CO+72 HX2O+32 NX2+32 COX2;V=11×0.01683×8.314×473101325=7.18×10−3 m3\ce{C6H7N3O11 -> 9/2 CO + 7/2 H2O + 3/2 N2 + 3/2 CO2};\quad V = \frac{11 \times 0.01683 \times 8.314 \times 473}{101325} = 7.18 \times 10^{-3}\ \text{m}^3
分析

外部の OX2\ce{O2} がないため部分的な自己酸化のみ起こり、1 mol あたり 11 mol の気体が生成（M=297.15M = 297.15 g mol−1^{-1}、n=0.01683n = 0.01683 mol）。V=nRT/P=7.18×10−3V = nRT/P = 7.18 \times 10^{-3} m3^3。

よくある誤り. 答えは dm3^3 ではなく m3^3 で要求される。200 °C では水蒸気を含めた 11 mol すべてを数える。