Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций имеют относительный, а не абсолютный характер.
Например, двойка перед формулой H2 в уравнении реакции водорода с кислородом 2H2 + O2 = 2H2O сама по себе, без связи с другими коэффициентами, не означает ровным счётом ничего – ни 2 моль, ни 2 молекулы, ни 2 части водорода. Она приобретает смысл только в сравнении с другими коэффициентами, например единицей перед формулой O2. Отношение этих коэффициентов, то есть 2/1, показывает, что водорода в реакцию всегда вступает в 2 раза больше, чем кислорода. Поскольку химический смысл имеют не сами стехиометрические коэффициенты, а только их отношение, все коэффициенты можно изменить в одинаковое число раз, а суть химического уравнения при этом не изменится. Например, записи 2H2 + O2 = 2H2O H2 + 1/2 O2 = H2O 10H2 + 5O2 = 10H2O представляют собой одно и то же химическое уравнение, описывающее взаимодействие водорода и кислорода с образованием воды. Математики и физики говорят, что «химические уравнения определены с точностью до постоянного сомножителя». Выбор конкретных коэффициентов – это дело вкуса и персональных предпочтений. Известно, что многие учителя не любят дробных коэффициентов. Приведённые выше рассуждения показывают, что дробные коэффициенты имеют полное право на существование, так как они выражают не абсолютные, а относительные количества веществ. Более того, в некоторых расчётах, например термохимических (см. далее) дробные коэффициенты необходимы. Приведенное выше утверждение об относительности стехиометрических коэффициентов лишает смысла задания типа «Чему равна сумма коэффициентов в уравнении реакции меди с разбавленной азотной кислотой?». Смысл подобных заданий понятен, однако они сформулированы некорректно с точки зрения стехиометрии. Правильная формулировка в применении, например, к реакции 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O может быть такой: «Чему равна сумма коэффициентов … при условии, что коэффициенты выражаются минимальными целыми числами?» Или: «Чему равен коэффициент при HNO3, если коэффициент при NO равен 2?» Для использования соотношений пропорции в химических расчётах удобным и полезным оказывается понятие «моль реакции». Это странное на первый взгляд сочетание слов обозначает количества веществ, которые равны стехиометрическим коэффициентам. Например, в моле реакции:
1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3 участвуют 0,5 моль N2, 1,5 моль H2 и 1 моль NH3. Это понятие широко используют в термохимии. Общая схема, позволяющая соотнести между собой количества вещества, массы и объёмы реагентов и продуктов реакции выглядит следующим образом:
Для расчётов по химическим уравнениям, так же как и по химическим формулам (см. лекцию 1), можно использовать два эквивалентных способа – через количество вещества или через пропорцию. Эти два способа различаются только по форме, а по сути представляют собой одно и то же.
Пример 14. Сколько граммов хлорида натрия образуется при обработке 15 г карбоната натрия, содержащего 15% примесей, избытком соляной кислоты? Решение. Прежде всего найдем массу чистого карбоната натрия. Примесей в образце карбоната натрия содержится 15%, а чистого вещества – 85%: m (Na2CO3) = m ´ w = 15 ´ 0,85 = 12,75 г. Запишем уравнение химической реакции: Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O. I способ. Массу продуктов реакции можно рассчитать через количество вещества, используя следующую схему: m (исх.в-ва) ® n(исх.в-ва) ® n(продукта) ® m (продукта). Найдём количество карбоната натрия: n(Na2CO3) = m / M = 12,75 / 106 = = 0,12 моль. По основному закону химической стехиометрии, отношение количеств реагирующих веществ (в молях) равно отношению соответствующих коэффициентов в уравнении реакции. Коэффициент перед NaCl в 2 раза больше, чем коэффициент перед Na2CO3, поэтому количество хлорида натрия также в 2 раза больше: n(NaCl) = 2n(Na2CO3) = 0,24 моль. Масса хлорида натрия: m (NaCl) = n ´ M = 0,24 ´ 58,5 = 14 г. II способ. Составим пропорцию. Одну строчку запишем по уравнению для одного моля реакции, а вторую – по условию задачи. из 1 моль (106 г) Na2CO3 образуется 2 моль (2 ´ 58,5 = 117 г) NaCl из 12,75 г Na2CO3 образуется x г NaCl. x = 12,75 ´ 117 / 106 = 14 г. Ответ. 14 г NaCl.
Первый способ лучше использовать для учащихся с хорошей физико-математической подготовкой, второй – для базового уровня. Рассмотрим пример расчёта по уравнению реакции с участием газа.
Пример 15. Рассчитайте объём газа (при н.у.), который выделится при действии избытка концентрированной азотной кислоты на 16 г меди.
Решение. Запишем уравнение реакции: Cu + 4HNO3(конц) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. Выделяющийся газ – оксид азота (IV), NO2. Для нахождения его объёма по уравнению реакции используем оба вышеупомянутых способа: I способ (через количество вещества). Объём продукта реакции рассчитывается по схеме: m (исх.в-ва) ® n(исх.в-ва) ® n(продукта) ® ® V (продукта) = n ´ Vm. Найдём количество меди: n(Cu) = m / M = 16 / 64 = 0,25 моль. Стехиометрический коэффициент перед NO2 в 2 раза больше, чем перед Cu, поэтому количество NO2 также в 2 раза больше: n(NO2) = 2n(Cu) = 0,5 моль. Объём оксида азота (IV): V (NO2) = n ´ Vm = 0,5 ´ 22,4 = 11,2 л. II способ (пропорция). Согласно уравнению реакции (для моля реакции), из 1 моль (64 г) Cu выделяется 2 моль (2 ´ 22,4 = 44,8 л) NO2; из 16 г Cu выделяется x л NO2. x = 16 ´ 44,8 / 64 = 11,2 л. Ответ. 11,2 л NO2.
Если в реакции участвуют только газы, то в расчётах можно обойтись без количества вещества, ограничившись только объёмами. Для этого объединяют закон Авогадро и основной закон стехиометрии – это приводит к закону объёмных отношений, который можно выразить следующим образом:
В газовых реакциях отношение объёмов реагирующих веществ равно
Для реакции вида a A + b B = c C + d D, протекающей в газовой фазе, объёмы реагирующих веществ связаны соотношением: . С помощью закона объёмных отношений впервые в химии были правильно определены формулы многих газообразных веществ, например, H2, O2, N2, H2O. Обратим внимание на то, что это т закон применим не только при нормальных условиях, когда молярный объём любого газа равен 22,4 л/моль, а при любых условиях.
Пример 16. Какой объём кислорода требуется для сжигания 2 м3 пропана? Какой объём углекислого газа при этом образуется? Решение. Запишем уравнение реакции сгорания пропана: C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O. Газы, участвующие в реакции, находятся при одинаковых условиях, поэтому для расчёта их объёмов не надо находить количество вещества, а можно применить закон объёмных отношений. По уравнению сгорания, для сжигания 1 объёма C3H8 необходимо 5 объёмов O2; для сжигания 2 м3 C3H8 необходимо x м3 O2. x = 2 ´ 5 / 1 = 10 м3. Аналогично рассчитывается объём углекислого газа: при сжигании 1 объёма C3H8 образуется 3 объёма CO2; при сжигании 2 м3 C3H8 образуется y м3 CO2. y = 2 ´ 3 / 1 = 6 м3. Ответ. 10 м3 O2, 6 м3 CO2.
Если в условии задачи даны массы (или объёмы) нескольких реагентов, то расчёт ведут по тому из веществ, которое находится в недостатке, т.е. первым заканчивается в реакции. Количества веществ, которые точно соответствуют уравнению реакции, т.е. без избытка или недостатка, называют стехиометрическими количествами. Чтобы установить, какой из реагентов находится в недостатке, сравнивают между собой их исходные количества, делённые на стехиометрические коэффициенты: То, из веществ, у которого это отношение – наименьшее, находится в недостатке.
Пример 17. Рассчитайте массу воды, которая образуется при реакции между 5 г водорода и 50 г кислорода. Решение. Запишем уравнение реакции: 2H2 + O2 = 2H2O. Найдём количества вещества: n(H2) = m / M = 5 / 2 = 2,5 моль, n(O2) = m / M =
т.к. В том, что водород находится в недостатке, можно убедиться и по-другому: для того, чтобы сжечь 2,5 моль H2, необходимо взять 2,5 / 2 = 1,25 моль O2, а у нас есть 1,56 моль, поэтому кислород – в избытке, водород – в недостатке. Расчёт массы воды ведём по водороду: n(H2O) = n(H2) = 2,5 моль, m (H2O) = n ´ M = 2,5 ´ 18 = 45 г. Ответ. 45 г H2O.
Расчёты по схемам реакций
Полное уравнение реакции со всеми коэффициентами отражает сохранение числа атомов каждого элемента. Если в расчёте участвуют не все участники реакции, а только некоторые из них, то нет необходимости составлять полное уравнение и находить все стехиометрические коэффициенты. Даже необязательно указывать все вещества, участвующие в реакции – достаточно ограничиться схемой, включающей необходимые вещества и коэффициенты.
Пример 18. Сколько килограммов фосфора теоретически можно получить из 62 кг фосфата кальция? Решение. При стандартном подходе необходимо записать полное уравнение получения фосфора из фосфата кальция: Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C = 2P + 5CO + 3CaSiO3 и выполнить расчёт по этому уравнению. Однако, в данной задаче нас интересует не конкретный способ получения фосфора, а только его общее количество. Это позволяет заменить уравнение на схему: Ca3(PO4)2 ® 2P Эта схема содержит только те вещества и те стехиометрические коэффициенты, которые непосредственно участвуют в расчёте. Так же, как и полное уравнение, она отражает закон сохранения массы, но не всех элементов, а только одного – фосфора. Дальнейшие действия аналогичны рассмотренным выше. Выполним расчёт по молям: n(Ca3(PO4)2) = m / M = 62 / 310 = 0,2 кмоль. Согласно схеме, количество фосфора в 2 раза превышает количество фосфата: n(P) = 2n(Ca3(PO4)2) = Масса фосфора: m (P) = n × M = 0,4 × 31 = 12,4 кг. Ответ. 12,4 кг P.
Принцип сохранения числа атомов конкретного элемента позволяет включать в расчётную схему не одно, а сразу несколько уравнений реакции и тем самым избегать всех промежуточных вычислений. Получается очень экономный и эффективный способ расчёта.
Пример 19. Рассчитайте массу серной кислоты, которую теоретически можно получить из 600 кг пирита (дисульфида железа (II)). Решение. Производство серной кислоты из пирита включает три основные стадии – обжиг пирита: 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2, окисление сернистого ангидрида до серного: 2SO2 + O2 = 2SO3
и гидратацию последнего: SO3 + H2O = H2SO4. Согласно этим уравнениям: n(H2SO4) = n(SO3) = n(SO2) = 8/4 n(FeS2). Тем самым, используя три уравнения, мы связали количества исходного сырья и целевого продукта реакции. Однако, мы могли бы это сделать сразу, записав суммарную схему процесса с коэффициентами, отражающими закон сохранения числа атомов серы: FeS2 ® 2H2SO4. В соответствии с этой схемой, n(H2SO4) = 2n(FeS2) = 2×(600/120) = 10 кмоль. Масса серной кислоты: m (H2SO4) = n × M = 10 × 98 = 980 кг. Разумеется, в практических расчётах необходимо принимать во внимание то, что многие реакции протекают не до конца, поэтому надо учитывать выход продукта на каждой стадии. Однако, если речь идёт только о максимально возможном количестве продукта, которое соответствует 100%-ному выходу, то можно ограничиться схемой с коэффициентами. Ответ. 980 кг H2SO4.
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-05-27; просмотров: 263; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.119.104.238 (0.03 с.) |