Расчеты по химическим уравнениям (избыток-недостаток)

Вы уже знаете, что такое стехиометрическое соотношение реагентов. Однако, на практике очень сложно взвесить строго рассчитанное количество вещества.

Определение

Поэтому, если количество вещества меньше стехиометрического, вещество находится в недостатке и все количество расходуется в ходе реакции. Если вещества больше, чем нужно стехиметрически, то оно находится в избытке; при этом избыточное количество этого вещества в реакции не участвует.

Рассмотрим это на примере: KOH+KNO3=KNO3+H2O

Из коэффициентов реакции следует, что количества гидроксида калия и азотной кислоты должны быть равны:

n(KOH)=n(HNO3)

Это и есть стехиометрическое соотношение реагентов (1:1) Если реакции будет участвовать 3 моль гидроксида калия, то потребуется 3 моль азотной кислоты.

Предположим, что для проведения реакции взяли 1,5 моль KOH и 1 моль азотной кислоты. Из стехиометрического соотношения реагентов следует, что для взаимодействия с 1 моль HNO3 потребуется 1 моль KOH. В условии же говорится, что взяли 1,5 моль KOH, то есть больше, чем нужно. Значит 1,5 моль KOH в избытке. При этом избыточное количество (1,5 моль- 1 моль)=0,5 моль KOH в реакции не участвует, но присутствует в реакционной смеси. В то же время, азотная кислота находится в недостатке: для взаимодействия с 1,5 моль KOH потребуется 1,5 моль кислоты, а взяли ее всего 1 моль, т.е. меньше, чем нужно.

Задачи на избыток и недостаток легче всего определить по условию задачи: даны массы (объемы) для двух или более реагентов. При решении таких задач важно помнить, что если один реагент находится в избытке, то другой обязательно - в недостатке! Решать такие задачи лучше через количества веществ, расчет ведут по недостатку.

Задача 3

Определите массу соли, образующейся в ходе взаимодействия 22г кальция с 635 мл 5%-ного раствора соляной кислоты (плотность раствора 1,17 г/мл)?

РЕШЕНИЕ

Дано:

m(Ca)=22г

Vp−pa=635мл

ρp−pa=1,15г/мл

ω(HCl)=5

Найти:

m(CaCl2) -?

Решение:

1) Составим уравнение реакции:

Ca+2HCl=CaCl2+H2

Так как дана масса кальция и масс раствора соляной кислоты, нужно определить какой из реагентов взят в избытке, а какой - в недостатке. Определить это легче всего по количествам веществ.

2) Найдем количество кальция:

гг/мольмольn(Ca)=m(Ca)M(Ca)=22г40г/моль=0,55моль

Чтобы найти количество соляной кислоты сначала найдем ее массу:

р-рар-ра(р-рамлг/млгm(HCl)=m(р-ра)⋅ω(HCl)=V(р-ра)⋅ρ(р-ра)⋅ω(HCl)=635мл⋅1,15г/мл⋅0,05=36,5г

гг/мольмольn(HCl)=m(HCl)M(HCl)=36,5г36,5г/моль=1моль

По уравнению реакции n(Ca)n(HCl)=12, откуда n(Ca)=n(HCl)2. Из условия задачи, было найдено, что мольn(HCl)=1моль, значит на 1 моль соляной кислоты потребуется (теоретически) n(Ca)=n(HCl)2=12=0,5 моль кальция. В действительности же, в реакции участвует 0,55 моль кальция, то есть больше, чем нужно по стехиометрии (0,55 > 0,5), значит кальций находится в избытке. Соляная кислота - в недостатке.

3) Дальнейший расчет ведем по соляной кислоте, так как она находится в недостатке и в ходе реакции прореагирует полностью.

Составим пропорцию:

по уравнению реакции 2 моль соляной кислоты приводит к образованию 1 моль CaCl2

по условию задачи 1 моль соляной кислоты — Х мольCaCl2

мольмольмольмольмольмольмольмоль2моль1моль=1мольXмоль→X=1моль⋅1моль2моль=0.5моль

4) Вычислим массу соли, зная ее массу:

мольг/мольm(CaCl2)=n(CaCl2)⋅M(CaCl2)=0.5моль⋅111г/моль=55,5г

 

РАСЧЕТЫ ПО ХИМИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЯМ (МАССОВАЯ ДОЛЯ ПРОДУКТА)

Задача (ЕГЭ, тип С4)

7г меди взаимодействует с 31мл раствором концентрированной азотной кислоты (содержание кислоты 56%) плотностью 1,4г/мл. (конц.)

Cu+4HNO3(конц.)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O

Определите массовую долю соли в полученном растворе.

Решение

Дано:

m(Cu)=7г

Vp−pa=31мл

ρp−pa=1,4г/мл

ω(HNO3)=56

Найти:

ω(Cu(NO3)2) -?

Решение:

1) Составим уравнение реакции:

(конц.)Cu+4HNO3(конц.)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O

Так как дана масса меди и раствора азотной кислоты, нужно определить какой из реагентов взят в избытке, а какой - в недостатке. Определить это легче всего по количествам веществ.

2) Найдем количество меди:

гг/мольмольn(Cu)=m(Cu)M(Cu)=7г63,5г/моль=0,11моль

Чтобы найти количество азотной кислоты сначала найдем ее массу:

р-рар-ра(р-рамлг/млгm(HNO3)=m(р-ра)⋅ω(HNO3)=V(р-ра)⋅ρ(р-ра)⋅ω(HNO3)=31мл⋅1,4г/мл⋅0,56=24,3г

гг/мольмольn(HNO3)=m(HNO3)M(HNO3)=24,3г63г/моль=0,39моль

По уравнению реакции n(Cu)n(HNO3)=14, откуда n(Cu)=n(HNO3)4. Из условия задачи, было найдено, что мольn(HNO3)=0,39моль, значит на 0,39 моль азотной кислоты потребуется (теоретически) n(Cu)=n(HNO3)4=0,394=0,098 моль меди. В действительности же, в реакции участвует 0,11 моль меди, то есть больше, чем нужно по стехиометрии (0,11 > 0,098), значит медь находится в избытке. Азотная кислота - в недостатке.

3) Дальнейший расчет ведем по азотной кислоте, так как она находится в недостатке и в ходе реакции прореагирует полностью.

Составим пропорцию:

по уравнению реакции 4 моль азотной кислоты приводит к образованию 1 моль Cu(NO3)2

по условию задачи 0,39 моль азотной кислоты — Х мольCu(NO3)2

мольмольмольмольмольмольмольмоль4моль0,39моль=1мольXмоль→X=0,39моль⋅1моль4моль=0.098моль

4) Вычислим массу соли, зная ее массу:

мольг/мольm(Cu(NO3)2)=n(Cu(NO3)2)⋅M(Cu(NO3)2)=0.098моль⋅193,5г/моль=19 г

5) Вычислим массу полученного раствора. Поскольку оксид азота - газ (улетит), а неизрасходованная медь останется в осадке, то масса полученного раствора:

m_{(\text{конечного p-pa})}= m(H_2O} + m(Cu(NO_3)_2)m_{(\text{конечного p-pa})}= m(H_2O} + m(Cu(NO_3)_2)

По уравнению реакции вычисляем количество вещества и массу получившейся воды:

n(H2O)=2⋅0,39|4=0,195 моль, m(H2O)=0,195⋅18=3,51 г.

Теперь можем вычислить массу конечного раствора:

кон. p-paгm(кон. p-pa)=m(Cu(NO3)2)+m(H2O)=3,51+19=22,51г

6) Зная массу полученного раствора и массу соли в нем, легко вычислить массовую долю соли:

кон. p-paггω(Cu(NO3)2)=m(Cu(NO3)2)m(кон. p-pa)=19г22,51г=0,844=84,4%

Ответ: массовая доля соли в полученном растворе 84,4%