Здравствуйте!
Подскажите, каким образом расcчитать необходимые количества кислот для составления серно-азотных кислотных смесей при известном факторе нитрующей активности (Ф), если одной из кислот является олеум.

Правильно ли производить расчеты на 100%-ную серную кислоту, а затем пересчитывать на эквивалентное количество олеума?

С уважением, TexHuk

Приведите свою методику сульфирования с цЫфрами, иначе не понятно о чем разговор.

Существует субстрат, дезактивированный по отношению к реакции электрофильного замещения (нитрования), поэтому необходимо использовать смеси, обладающие высокой нитрующей способностью. В связи с этим берем высокий фактор нитрующей активности Ф = 99%. Считаем, что нитруется 1 моль субстрата и вводится 1 нитрогруппа. Избыток азотной кислоты - 100%. Каким образом рассчитать необходимое количество олеума для составления смеси?

Да, при составлении смеси используем концентрированную азотную кислоту - 98,7%-ную.

Надо составить материальный баланс по уравнению реакции, это невозможно сделать без формулы субстрата.

Я же написал, что нитруется один моль субстрата и вступает 1 нитрогруппа, таким образом реакцию можно свести к следующей схеме:

R-H + HNO₃ -----> R-NO₂ + H₂O

Таким образом, на 1 моль субстрата расходуется 1 моль азотной кислоты, и соответственно образуется 1 моль воды. Избыток азотной кислоты 100%.

Т.е. на нитрование должно пойти 63 г азотной кислоты.
С учетом избытка: 63*2 = 126 г
С учетом 98,7%-ной концентрации: 126/0,987 = 127,66 г
С кислотой вносится воды: 127,66-126 = 1,66 г

Исходя из определения фактора нитрующей активности, вся азотная кислота в процессе расходуется на нитрование, давая 1 молекулу воды на одну молекулу азотной кислоты. Из 126 г (2 моль) азотной кислоты, соответственно, образуется воды: 2*18 = 36 г

Таким образом всего в отработанной кислоте будет воды: 1,66 + 36 = 37,66 г

А вот дальше необходимо рассчитать, какое количество олеума нужно добавить к азотной кислоте, чтобы Ф = 99%.

Как Вы считаете Ф?

Ф - это фактор нитрующей активности. Физический смысл фактора нитрующей активности - концентрация серной кислоты в отработанной кислоте при условии, что вся азотная кислота была затрачена на нитрование, т.е. превратилась в воду. Таким образом отработанная кислота состоит из серной кислоты, воды, привнесенной с исходными кислотами, и воды, выделившейся в ходе реакции. Следовательно:

Ф = 100*S*C_S/(S+H₂O_исх.+Н₂O_реакц.),

где S - масса серной кислоты,
C_S - концентрация серной кислоты, используемой для приготовления смеси.

chemlab, Вы работали с фактором нитрующей активности при расчете кислотных смесей?

Нитровал всякое много, об этом факторе слышал, но не использовал, не было необходимости, т.к. можно было посчитать матбаланс.
По-моему у Вас не точный расчет Ф (исходя из определения), т.к. понятие "концентрация" означает отнесение количества данного компонента к количеству всей смеси (включая продукты).

Здесь ключевым словосочетанием является "концентрация серной кислоты в отработанной кислоте". Это кислота, освобожденная от нитропродукта.

Фактор нитрующей активности применяется в основном в технологических процессах, меньше в лабораторном практикуме, где чаще используется расчет кислотной смеси по составу. Поэтому и написал в раздел "Химия и технология".

На все 100% освобожденная? Т.е. кроме разбавления водой больше ничего в нее не привнесено? Впервые слышу, чтобы в технологии был выход продукта точно 100,0%

Почему такая реакция? это же инженерное приближение . Подробнее о факторе нитрующей активности можно почитать в книгах:

1. Горст А.Г., Химия и технология нитросоединений, Оборонгиз, 1940 г. Стр. 84-88
2. Орлова Е.Ю., Химия и технология бризантных взрывчатых веществ, 1973 г., Стр. 140-143

Что-то не клеится у нас дискуссия.

То есть избыточная азотная кислота при расчёте Ф тоже не учитывается?

В таком случае при "условной концентрации" серной кислоты, равной 99%, "условная концентрация" воды составит 1%, или 0,01.
Исходя из того, что 1 моль SO₃ связывает 1 моль воды, можно составить систему уравнений:

х/(37,66+у) = 0,01;
w*y/80 = (37,66-x)/18

где
х - остаточная масса воды;
у - масса олеума, необходимого на каждые 2 моля азотки;
w - концентрация олеума (содержание SO₃, выраженное в долях единицы), которая должна быть известна.

Изначально мы не знаем состава смеси. А в итоге, когда мы рассчитали количества кислот, то мы должны проверить, соответствуют ли получившийся состав заданному фактору нитрующей активности.

Расписываем состав смеси:

S - доля 100%-ной серной кислоты в исходной смеси;
N - доля 100%-ной азотной кислоты в исходной смеси;
Wi - доля воды в смеси.

S + N + Wi = 100 => S = 100 - N - Wi

C учетом того, что у нас расходуется вся азотная кислота, давая воду Wr, выражаем ее через азотную кислоту:

Wr = N*18/63

Тогда фактор нитрующей активности будет равен:

Ф = 100*S/((100-N-Wi)+Wi+N*18/63) = 100*S/(100-N*45/63) =100*S/(100-0.714N) = 140*S/(140-N)

Ф = 140*S/(140-N) - формула, применяемая для определения фактора нитрующей активности кислотной смеси заданного состава.