Химия (стр. 5 )

,

где Мa – молярная масса газа a, Mb – молярная масса газа b, взятого в качестве эталона.

В качестве эталона может быть выбран любой газ, например, водород, кислород и даже воздух:

Плотность газа по водороду D (H2) = Мвещества/2,016.

Плотность газа по кислороду D (O2) = Мвещества/32.

Плотность газа по воздуху Dвозд = Мвещества/28,9

Пример: Соединение содержит 82,64% углерода и 17,36% водорода. Плотность его по водороду 28,8. Найти истинную формулу соединения.

Р е ш е н и е : Удобно принять массу вещества равной 100 г, в этом случае массовые доли элементов численно равны массам каждого элемента, содержащимся в 100 г соединения. Составим таблицу:

Элемент	углерод	водород
Масса, г	82,64	17,36
Аотн	12,00	1,008
n, моль	82,64/12=6,88	17,36/1,008=17,2
Отношение моль элементов Отн. в целых числах	6,88 /6,88=1 2	17,2 /6,88=2,5 5

Простейшая формула – C2H5. Молярная масса соединения равна

М= D(H2)´M(H2)= 28,8´2,016=58,1 г/моль.

Молярная масса по простейшей формуле равна 12´2+5´1,01=29,05 г/моль. Отношение молярных масс составляет k=58,1/29,05 » 2. Следовательно, истинная химическая формула соединения - C4H10.

Контрольные вопросы и задания 3.3.

1. Рассчитайте массовую долю в %:

А) Al в Al2O3; Б) Сl в FeCl3; В). S в Fe2(SO4)3; Г). P2O5 в (NH4)2HPO4.

2. По данным весового анализа определите простейшие формулы соединений:

А) 88,8 % Cu, 11,2 % O; Б) 29,1 % Na, 40,5 % S, 30,4 % O;

3. Определите простейшие формулы образующихся соединений, если:

А) из 17,0 г кальция образуется 47,2 хлорида кальция;

Б) из 0,216 г магния образуется 0,360 г оксида магния.

4. Установите формулу кристаллогидрата, если при прокаливании 22,48 г

CaSO4* n H2O получено 17,78 г безводной соли.

Задачи

1. Найдите истинную формулу соединения, если:

а) соединение содержит 24,26% углерода, 71,62% хлора и 4,12% водорода. Плотность пара вещества по водороду 49,1;

б) соединение содержит 54,50% углерода, 36,34% кислорода, остальное – водород. Плотность пара вещества по воздуху 3,04;

в) при температуре 87,50С и атмосферном давлении некоторый кетон массой 80 г занимает объём 32,9 л.

2. Определите эмпирические формулы соединений, для которых получены следующие результаты анализа:

а) 32,4% натрия, 22,6% серы и 45,0 % кислорода;

б) 49,97% Ag, 24,09% Cr, 25,94%O;

в) 52,25% Cu, 26,37% S, 9,86% C, 11,52%N.

3. Образец кристаллов MgSO4*nH2O массой 0,942 г был нагрет для удаления кристаллизационной воды. Когда масса образца перестала изменяться, его снова взвесили. Масса сухого остатка составила 0,461 г. Установите химическую формулу кристаллогидрата.

4. Рассчитайте массовую долю (процентное содержание) брома в бромиде кальция.

Нахождение формул соединений по данным анализа продуктов его сгорания

По данным анализа продуктов сгорания вещества можно рассчитать его состав. Обычно при полном сгорании вещества весь углерод переходит в СО2, водород – в Н2О, сера – в SO2, металл – в оксид (твёрдый остаток), азот – в N2, а кислород распределяется по всем образующимся оксидам. Если известно количество (в моль) каждого продукта сгорания, то легко вычислить количество каждого элемента (в моль) и найти соотношение элементов в исходном веществе. Количество элемента кислорода в соединении рассчитывают с учётом молекулярного кислорода (О2) пошедшего на горение.

Пример: При сжигании 0,23 г органического вещества образовалось 0,27 г воды и 224 мл оксида углерода(IV), измеренного при нормальных условиях. Относительная плотность пара вещества по водороду составляет 23. Найти формулу соединения.

Р е ш е н и е : Весь водород органического вещества при сжигании перешёл в воду, следовательно, по количеству воды можно вычислить содержание водорода. По формуле (2) определяем n(H2O)=0,27/18=0,015моль

nH=n(H2O)´2=0,015´2=0,03 моль, mH=0,03´1,007=0,0302 г.

Весь углерод сожжённого вещества перешёл в оксид углерода(II). По формуле (5) вычисляем n(CO2) = 0,224 / 22.4 = 0,01 моль

nC=n(СO2)´1= 0,01´1 = 0,01 моль, mC= 0,01´12 = 0,12 г.

Вещество могло содержать кислород. Проверка наличия кислорода в соединении определяется по разности масс:

mвещества - (mH + mC) = 0,23-(0,0302+0,12) = 0,08 г.

Следовательно, остаток массой 0,08 г приходится на кислород, входящий в состав соединения.

Количество кислорода составляет nО=0,08/16=0,005 моль. Итого имеем:

кислород	углерод	водород
0,005 моль	0,01 моль	0,03 моль
1	2	6

Простейшая формула соединения C2H6O. Молярная масса простейшей формулы составляет 12´2 + 1´6 + 16 = 46 г/моль.

Молярная масса сжигаемого соединения - D(H2)´2 = 23´2 = 46 г/моль.

Совпадение молярной массы вещества с молярной массой, вычисленной по простейшей формуле, указывает на то, что истинная формула совпадает с простейшей формулой - C2H6O.

Задачи

5. При полном сжигании в токе сухого кислорода 200 г вещества, содержащего только углерод и водород, образовалось 629 г CO2 и 257 г H2O. Определите простейшую формулу соединения. При испарении 200 г того же вещества объём его паров, пересчитанный на нормальные условия, составил 53,3. Определите молярную массу вещества и его химическую формулу.

6. Анализ показал, что вещество А содержит серу и хлор. Из 0,1000 г вещества А получено 0,1322 г BaSO4. Из другой навески 0,1000 г вещества А получено 0,0813 г AgCl. Сгорание 0,2000 г вещества А дает 0,2992 г CO2 и 0,0510 г H2O. Определите формулу вещества, помня о том, что суммарное содержание углерода, водорода, хлора не обязательно должно составлять 100%, так как вещество может содержать кислород.

7. Сожгли 10 мл газообразного углеводорода CxHy с избытком кислорода. При этом объём газовой смеси уменьшился на 35 мл. После встряхивания получившейся смеси с избытком раствора гидроксида натрия объём газа уменьшился ещё на 40 мл. Определите формулу углеводорода.

8. Определите формулу вещества, если известно, что:

а) При сжигании 0,39 г органического вещества образовалось 0,27 г воды, 224 мл углекислого газа и 112 мл оксида серы(IV), измеренных при нормальных условиях (плотность пара вещества по азоту составляет 2,79);

б) При сжигании 0,216 г вещества, содержащего углерод, водород и бром образовалось 0,176 г углекислого газа и 0,072 г воды (относительная плотность паров вещества по гелию равна 54.

Расчёты по уравнениям химических реакций

Химические уравнения показывают на то, какие вещества вступают в реакцию и какие вещества образуются. Кроме того, они отображают количества взаимодействующих веществ. Так, например, уравнение реакции

4FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2

показывает, что при сжигании 4 моль сульфида железа(II), образуется 2 моль оксида железа(III) и 4 моль оксида серы(IV), на что расходуется 7 моль кислорода. Численные коэффициенты, стоящие перед формулами веществ, называют стехиометрическими, а соотношение между количествами реагентов и продуктов в химическом уравнении называют стехиометрией реакции. Если один из реагентов взят в количестве большем, чем стехиометрическое (необходимое для взаимодействия с другим реагентом), то его избыточное количество после окончания реакции останется неиспользованным. В практической химии такая ситуация встречается достаточно часто, поэтому при расчетах по уравнениям реакции обязательно необходимо выяснить нет ли избытка одного из реагентов, а расчёт количеств продуктов вести по реагенту, взятому в недостатке.

Контрольные вопросы и задания 3.4.

1. Сколько моль продуктов получится (теоретически) при взаимодействии:

А). 4 моль SO2 и 3 моль О2; Б). 0,5 моль N2 и 2 моль Н2;

В). 8 моль О2 и 2 моль этилена; Г). 0,4 моль СО и 0,6 моль Н2О(пар).

2. Сколько моль кислорода необходимо для полного сгорания:

А). 2 моль метана; Б). 0,2 моль Н2S; В). 0,8 моль Р4; Г). 3 моль октана.

3. Какой объём водорода получится при взаимодействии 6,54 г цинка с избытком соляной кислоты?

4. Сколько моль гидроксида натрия необходимо добавить к 0,02 моль ортофосфорной кислоты для получения дигидрофосфата натрия?

Расчёты по уравнениям химических реакций рекомендуется вести через количества веществ выраженных в моль. В этом случае расчёты получаются менее трудоёмкими, а соотношения количеств веществ более простыми.

Пример: Какое количество железа можно получить при восстановлении 10 г оксида железа(III) 10 г водорода?

Р е ш е н и е. Напишем уравнение реакции:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O.

Количество оксида = 10 / (55,85´2 +16´3) = 0,0626 моль. По уравнению реакции необходимое количество водорода должно быть в 3 раза больше n(Н2)= 0,0626´3 = 0,188 моль.

По условию задачи взято водорода n(Н2)= m / M(H2) = 10 / 2 = 5 моль. Очевидно, что водород взят в избытке, следовательно, количество оксида ограничивает количество образующегося железа. По уравнению видно, что из 1 моль оксида получается 2 моль железа. Следовательно, из 0,0626 моль Fe2O3 да получится железа 0,0626´2 = 0,1252 моль. Масса железа составит - 0,1252´55,85 = 6,99 г.

Задачи

9. 5 г натрия обработали 30 г пропанола. Какое количество водорода и пропанолята натрия получится?

10. Какое количество этилацетата может быть получено из 80 г этанола и 80 г уксусной кислоты?

11. Сколько необходимо взять хлорида натрия для получения хлороводорода в количестве 30 л (у. н.) по реакции

NaCl тв.+ H2SO4 = HCl газ + NaHSO4 тв.?

12. Продукт взаимодействия фосфора массой 9,61 г с избытком хлора растворили в воде. Какая масса гидроксида натрия потребуется для нейтрализации полученного раствора?

13. Какая масса азотной кислоты теоретически потребуется для получения 101 л диоксида азота (н. у.) при использовании в качестве восстановителя пирита?

14. Какие продукты и в каких количествах образуются при растворении 0,81 г алюминия в избытке раствора гидроксида натрия?

Взаимодействие некоторых реагентов может протекать в несколько ступеней и, следовательно, приводить к образованию различных продуктов. Это необходимо учитывать при решении вопроса об избытке реагента. Например, в реакциях нейтрализации многоосновных кислот возможно образование как средних, так и кислых солей:

CaO + H2CO3 = CaCO3 + H2O

CaO + 2H2CO3 = Ca(HCO3)2 + 2H2O.

Как видно из приведённых уравнений реакций при соотношении оксида и кислоты 1:1, образуется средняя соль, а при соотношении 1:2 – кислая соль.

В некоторых случаях продукты реакции зависят от порядка смешивания веществ – добавляемое вещество в момент взаимодействия находится в недостатке. Например, при добавлении раствора Na2CO3 к раствору соляной кислоты сначала всегда образуется CO2, а при вливании соляной кислоты в раствор Na2CO3 первоначально образуется кислая соль – NaHCO3.

Пример: К 2 моль ортофосфорной кислоты добавили 4,4 моль гидроксида натрия. Какие вещества и в каком количестве получатся?

Р е ш е н и е : При нейтрализации кислоты реакция может протекать в соответствии с следующими уравнениями реакций:

H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O (1),

NaH2PO4 + NaOH = Na2HPO4 +H2O (2),

Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 +H2O (3).

При протекании реакции по уравнению (1) на 1 моль кислоты требуется 1 моль щёлочи, следовательно, на данные по условию 2 моль кислоты израсходуется 2 моль щёлочи и (4,= 2,4 моль останется на протекание реакции (2). По уравнению (2) на 1 моль NaH2PO4 расходуется 1 моль щёлочи, следовательно, на 2 моль NaH2PO4 потребуется 2 моль NaOH. Остаток щёлочи (2,= 0,4 моль израсходуется на реакцию (3). Таким образом, 4,4 моль NaOH достаточно для получения Na2HPO4 (2 моль) и 0,4 моль NaOH прореагирует с Na2HPO4, образуя 0,4 моль средней соли. В итоге получится 0,4 моль Na3PO4 , 1,6 моль Na2HPO4 и 4,4 моль воды.

Задачи

15. Через водный раствор, содержащий 17,1 г гидроксида бария, пропустили 4,00 л CO2 (условия нормальные). Определить, какие вещества и в каких количествах образовались в растворе.

16. Какие вещества и в каком количестве получатся при сгорании 5,6 г порошка железа в 20 г паров брома?

17. Имеется два одинаковых стаканчика. В первом стаканчике раствор соляной кислоты массой 100 г, который содержит 0,01 моль HCl, во втором стаканчике – 100 г раствора соды с содержанием Na2CO3 0,01 моль. Какие вещества и в каком количестве получатся: а) если очень медленно и при тщательном перемешивании содержимое первого стаканчика влить во второй стаканчик; б) если, действуя точно также, вылить раствор из второго стаканчика в первый? На сколько граммов будут различаться массы стаканчиков, в которых проводилось смешивание растворов в опыте (а) и опыте (б)?

18. В колбу, содержащую 58,44 г кристаллического хлорида натрия, добавили концентрированную серную кислоту. Какие вещества, и в каком количестве получатся, если серной кислоты добавили: а) 3 моль; б) 0,8 моль?

19. Какие вещества и в каких количествах могут быть получены при растворении 21 г оксида кальция в растворе серной кислоты, содержащем 0,5 моль H2SO4?

3.3 СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА

МАССОВАЯ ДОЛЯ ВЕЩЕСТВА

В химической практике редко приходится иметь дело с веществами, не содержащими примесей. Во многих случаях вещество может входить в состав какой-либо смеси или раствора. Содержание вещества в смеси (растворе) может быть задано массовой долей (w), выраженной либо в долях единицы, либо в %.

(7)

Жидкие растворы обычно измеряются в единицах объёма. Для перехода к весовым единицам необходимо знание плотности раствора (r).

Если масса вещества выражена в г или кг, а объём, соответственно, в см3 или дм3, то вместо r можно использовать численное значение относительной плотности d. В химических задачах часто указывается относительная плотность вещества или раствора (d = r /rо).

Относительной плотностью вещества называется отношение его плотности (r) к плотности «стандартного вещества» (rо) при определённых физических условиях. Таким стандартным веществом является вода при 3,980С и нормальном атмосферном давлении. Отсюда следует практически важное соотношение – 1 кг воды занимает объём 1 л при указанных условиях. Для определения относительной плотности газов в качестве «стандартного вещества» принимается сухой воздух при 0о С и давлении, равном 1 атм.

Часто растворяемое вещество в своём составе содержит молекулы растворителя, например, кристаллогидраты солей, гидроксидов содержат воду (LiNO3*3H2O, LiOH*H2O, H2C2O4*2H2O). Рассматривая кристаллогидрат как твёрдый раствор безводного вещества в воде, можно получить полезное соотношение

, откуда , (8)

где подстрочный индекс бв—безводное вещество, кр—кристаллогидрат.

Пример: Радиотехнический сплав пермалой – это твёрдый раствор никеля в железе. Массовая доля никеля составляет 20 %. Вычислить какое количество никеля необходимо для получения 2,5 т пермалоя.

Р е ш е н и е : Масса никеля равна m=mсп´(w/100%)=2,5´(20%/100%)=0,5т.

Пример: При прокаливании известняка (CaCO3), содержащего 8,4% примесей было получено 44,8 м3 CO2. Сколько известняка израсходовано?

Р е ш е н и е : Напишем уравнение реакции: CaCO3 Þ CO2 + CaO.

44,8 м3 CO2 составляет 44,8´1000 = 44800 л или 44800/22,4 = 2000 моль.

По уравнению реакции на получение 1 моль CO2 расходуется 1 моль CaCO3, следовательно, для прокаливания необходимо взять 2000 моль CaCO3 , что составляет 2000´M(CaCO3)= 2000´(40+12+16´3) = 200000 г = 2*105 г.

Массовая доля карбоната кальция в известняке составляет 100-8,4=91,6%.

Необходимая для реакции масса известняка = 2*105 г /(91,6%/ 100%) = 2,18*105 г =218 кг.

Пример: Сколько сульфата натрия содержится в 180 г 20% водного раствора соли?

Р е ш е н и е : Масса сульфата натрия равна (20% / 100 %)´180 = 36 г.

Пример: Какое количество семиводного сульфата натрия и воды необходимо взять для приготовления 2 кг 10 % раствора Na2SO4?

Р е ш е н и е : В 2 кг раствора содержится 2000 г´(10% / 100%) = 200 г безводной соли. По формуле (7) рассчитываем массу кристаллогидрата

mкр=mcоли´(Мкр/Мсоли)=200´((23´2+32+16´4+18´7)/(23´2+32+16´4))=377г.

Необходимое количество воды находим по разности масс раствора и растворяемого кристаллогидрата 2000 г - 377 г = 1623 г.

Ответ: 377 г соли и 1623 г воды.

Пример: Сколько мл концентрированной серной кислоты (d =1.834, w=95.1%) и воды необходимо взять для приготовления 1 л раствора кислоты с массовой долей 9,86% (d =1,065)?

Р е ш е н и е : Масса 1 л приготовляемого раствора составит 1000мл´1,065 = 1065 г. Масса H2SO4 в этом растворе составит 1065г´(9,86% / 100%) = 105 г.

Масса концентрированного раствора кислоты равна 105 / (0,951) =110 г.

Объём концентрированного раствора кислоты равен 110 / 1,834 = 60,2 мл.

Масса необходимой для приготовления раствора воды составит

1= 955 г, что соответствует 955 мл.

Ответ: 60,2 мл конц. H2SO4 и 955 мл H2O.

Пример: Какая масса нитрата серебра выпадет в осадок из 250 г 73%-ого раствора этой соли при охлаждении раствора до 00С, если известно, что в насыщенном при этой температуре растворе массовая доля нитрата серебра составляет 53,5%?

Р е ш е н и е: Находим массу нитрата серебра в исходном растворе . Обозначим за х массу соли выпавшей в осадок при охлаждении раствора. Тогда масса соли, оставшейся в растворе составит (182,5-х), а масса охлаждённого раствора будет равна (250-х). Запишем выражение для массовой доли соли в охлажденном растворе: . Решая полученное уравнение относительно х, получаем х=104,8 г.

Контрольные вопросы и задания 3.5.

1. Раствор хлорида натрия массовой долей 1 % (d =1,00) разбавили в 4 раза. Вычислите массовую долю в разбавленном растворе.

2. Из 1 л раствора соли с массовой долей 1% (d =1,00) выпарили 500 г воды. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

3. К 1 л раствора соли с массовой долей 50% (d =2,00) добавили 2 кг воды. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

4. Вычислить количество азотной кислоты (в моль) в 200 г её раствора с w(HNO3) =44,5%.

5. Вычислить количество (в моль) карбоната натрия в 200 мл его водного раствора с w=4,07% d=1,04.

6. Вычислить массовую долю сульфата меди в 100 мл раствора (d=1,30), содержащего 0,1 моль CuSO4*5H2O.

Задачи

20. 10,0 г сплава Al-Mg (wMg=5,00%) растворили в 200 мл раствора соляной кислоты (w=20,4%, d=1,10). Какой объём займёт выделившийся водород при 270С и 101,3 кПа?

21. Сколько граммов раствора соляной кислоты [w(HCl)=11,52%] понадобится для нейтрализации 1,50 л раствора аммиака [w(NH3)=5,80%, d=0,974]?

22. Сколько литров CO2, измеренного при 170С и 100 кПа, следует пропустить через 800 мл раствора КОН (w=25%, d=1,23) для получения гидрокарбоната калия? Вычислить массу полученной соли.

23. В каком объёме воды следует растворить 50 г десятиводного карбоната натрия для получения раствора с массовой долей безводной соли 10%?

24. При 00С массовая доля CaCl2 в насыщенном растворе этой соли составляет 18,9%. Какая масса CaCl2·6H2O выпадет в осадок при охлаждении до 00С 500 г раствора хлорида кальция с массовой долей CaCl2 равной 25.3%?

25. К раствору, содержащему 14 г Na2HPO4×12H2O в 157 г воды, добавили 93 мл 9,8%-ого раствора Na2HPO4 (r=1,1 г/мл). Определите массовую долю Na2HPO4 в полученном растворе.

26. 1 объём воды при нормальных условиях поглощает 80 объёмов SO2. Какой объём 30%-ого раствора КОН с r=1,286 г/мл потребуется для получения кислой соли из 2 кг насыщенного раствора SO2?

ОБЪЁМНАЯ ДОЛЯ ВЕЩЕСТВА

Состав газовых смесей удобно выражать через объёмную долю (j). Объёмную долю, также как и массовую долю, выражают либо в долях единицы, либо в %.

(9)

Следует отметить, что объёмные доли для газообразных веществ соответствуют их мольным долям (a).

Мольная доля газа А: aА=nА/nсмеси=(nА*22,4) /(nсмеси*22,4)=VA/Vсмеси = jА.

(10)

При решении задач на газовые смеси удобно пользоваться следствием из закона Авогадро - молярная масса смеси из i газов равна сумме произведений молярных масс газов на их объёмные (мольные) доли в смеси:

Мсмеси=j1×М1 + j2×М2 + ¼+ji×Мi

или

Мсмеси=a1×М1 + a2×М2 + ¼+ai×Мi . (11)

Пример: Имеется 100 л смеси азота и водорода с объёмной долей водорода 30% (условия нормальные). Определить количество каждого газа в смеси и массовую долю водорода.

Р е ш е н и е : Определяем объёмы водорода и азота:

V(H2) = j(H2)´Vсмеси= 0,3 ´ 100 = 30 л; V(N2) = = 70 л.

Вычисляем количество каждого газа (в моль):

n(H2) = 30/22,4 = 1,34 моль; n(N2) = 70/22,4 = 3,12 л.

Вычисляем массу каждого газа и массу смеси: m(H2) = 1,34´2 = 2,68 г;

m(N2) = 3,12´28 = 87,5 г; m(смеси) = 87,5+2,68 = 90,18 г.

Вычисляем массовую долю водорода: w(H2) = (2,68/90,18)´100% = 2,97%.

Пример: Смесь оксида серы(IV) и кислорода имеет плотность по водороду, равную 24. Определить объёмные доли газов в смеси.

Р е ш е н и е : Определяем молярную массу смеси: М(см)=2´24 = 48 г/моль.

Примем объём смеси равным 22,4 л, тогда количество смеси в моль составит 22,4/22,4 =1 моль. Вычисляем массу смеси mсмеси =1моль´ 48 г/моль= 48 г.

Составляем уравнения материального баланса:

ìm(O2) + m(SO2) = 48 г

în(O2) + n(SO2) = 1 моль

Выражаем в первом уравнении массы веществ через n:

ìn(O2) ´ М(H2) + n(SO2) ´ M(SO2) = 48 г

în(O2) + n(SO2) = 1 моль

Подставляем численные значения:

ìn(O2) ´ 32 + n(SO2) ´ 64 = 48

în(O2) + n(SO2) = 1

При решении системы уравнений получаем:

n(O2) = 0,5 моль, n(SO2) = 0,5 моль

Учитывая, что j=a вычисляем объёмные доли компонентов:

j(O2) = (0,5/1)*100% = 50%, j(SO2) = (0,5/1)*100% = 50%.

Решение этой же задачи по формуле 11 получается существенно проще. Если смесь состоит всего из двух газов, то объёмная доля второго газа может быть выражена через объёмную долю первого газа: j(О2)=1-j(SO2). Следовательно, вычислив предварительно молярную массу смеси, сразу получаем расчётное уравнение для объёмной доли SO2:

48=j(SO2)×64+(1-j(SO2)×32

Задачи

27. Смесь CO и H2 имеет плотность по водороду, равную 5,0. Определить объёмные доли компонентов в смеси.

28. К 6 л (объём измерен при нормальных условиях) смеси NO и NO2 с относительной плотностью смеси по водороду 18,2 добавили 4 л азота. Определить объёмные доли газов в получившейся смеси.

29. К 6 л (н. у.) смеси NO и NO2 с относительной плотностью смеси по водороду 18,2 добавили 4 л кислорода. Определить на сколько сократится общий объём после добавления кислорода.

30. Смесь водорода с хлором в объёмном отношении 3:2 поместили в закрытый стеклянный сосуд и осветили яркой лампой. Определить качественный и количественный состав продуктов реакции.

31. Через раствор щёлочи пропустили 1 л смеси N2, CO2, O2 и NH3. При этом объём газовой смеси сократился на 50 мл. Затем смесь пропустили через концентрированную серную кислоту – объём смеси уменьшился ещё на 200 мл. Остаток пропустили над раскалённым порошком железа – объём смеси сократился ещё на 400 мл. Вычислить объёмный состав смеси.

32. Смесь водорода и равных количеств этилена и ацетилена пропустили над катализатором гидрирования. Какова должна быть относительная плотность смеси по водороду, чтобы она полностью превратилась в этан?

33. 2,24 л смеси метана с азотом смешали с 2,24 л смеси кислорода с аммиаком. В результате получили смесь, плотность которой при нормальных условиях составила 1,035 г/л. Определите массовые доли метана и азота в первой смеси, если известно, что смесь кислорода с аммиаком имела плотность по водороду равной 12,0.

34. Объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%. Какая масса кислорода содержится в 1,0 кг воздуха?

3.4 ВЫХОД РЕАКЦИИ

Масса продуктов, образовавшихся в химической реакции, называется выходом реакции. Выход продукта, вычисленный на основе химического уравнения, называется теоретическим выходом. Действительный выход, полученный в эксперименте или промышленном процессе, называется фактическим выходом. Отношение фактического выхода реакции к теоретическому называют относительным выходом (g) или степенью превращения.

g = (фактический выход / теоретический выход)*100%

Степень превращения можно определять по одному из реагентов, но этот реагент не должен быть взят в избытке. Следует также учесть, что относительный выход реакции можно рассчитывать не только через массу образующегося вещества, но и через его количество, выраженное в моль:

.

Пример: Вследствие неполноты окисления SO2 в SO3 , газы, выходящие из контактных аппаратов, содержат SO2 . Относительный выход этой реакции составляет 99%. Какой объём смеси газов (н. у.) и раствора гидроксида натрия ( w = 32%, d = 1,35 ) необходимы для получения 100 кг NaHSO3 ?

Р е ш е н и е : 100 кг NaHSO3 составляет 100000 г / (23+1+32+16´3) = 961,5 моль. Запишем уравнения реакций:

2SO2 + O2 Þ 2SO3 ; SO2 + NaOH Þ NaHSO3.

По уравнению реакции для образования 1 моль NaHSO3 необходимо взять 1 моль NaOH и 1 моль SO2. Следовательно, для получения 961,5 моль NaHSO3 требуется 961,5 моль щёлочи и 961,5 моль SO2 .

Определяем необходимую массу раствора щёлочи:

m(NaOH)=961,5´(23+17+1)= 39420 г; m(раствора)=39420/0,32 = 123200 г;

V(раствора) = 123200 / 1,35 = 91260 мл = 91,26 л.

Определяем необходимое количество SO2 в газовой смеси:

961,5 моль / (1%/100%) = 96150 моль.

В газовой смеси на 2 моль SO2 приходится 1 моль O2. Следовательно, на 96150 моль SO2 в исходной смеси приходится 96150/2 = 48075 моль O2.

Количество газовой смеси составляет 96150 + 48075 = 144225 моль, а её объём – 144225*22,4 = 3230640 л = 32306 м3.

Пример: Бромбензол получают по реакции бензола с избытком брома в присутствии бромида железа(III). В процессе синтеза из 200 г бензола было получено 230 г бромбензола. Вычислить относительный выход реакции.

Р е ш е н и е : Запишем уравнение реакции: C6H6 + Br2Þ C6H5Br + HBr

Из 1 моль бензола получается 1 моль бромбензола. 200 г бензола соответствуют 200/(12*6+1*6) = 2,56 моль. Следовательно, теоретический выход реакции равен 2,56 моль или 2,56´(12´6+1´5+79,9)= 402 г бромбензола. Относительный выход реакции составит (230/402)´100% = 57,3%.

Задачи

35. Для получения 1 т олеума с массовой долей SO3 20% в контактный аппарат подают 3500 м3 газа (н. у.) с объёмной долей SO2 равной 7%. Каков относительный выход превращения SO2 в SO3 в контактном аппарате?

36. Какой объём печных газов (условия нормальные), содержащих 7% SO2, получается при обжиге 2 т серного колчедана, содержащего 45% серы, если учесть, что при этом не сгорает 1,6% всего содержания серы?

37. При получении KClO3 вначале насыщают хлором раствор гашёной извести Ca(OH)2 и получают Ca(ClO3)2. Затем хлорат кальция обменной реакцией с KCl переводят в KClO3. Вычислить в килограммах расход хлора, необходимый для получения 1 кг KClO3, если относительный выход процесса составляет 80%.

38. Газовую смесь SO2 и О2, взятых в стехиометрическом соотношении, пропустили над катализатором V2O5. В результате относительная плотность газовой смеси по водороду возросла на 20%. Определите относительный выход реакции окисления диоксида серы.

3.5 ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАТЕРИИ И ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ

В настоящее время законы сохранения материи и закон сохранения массы объединены в единый закон, согласно которому в превращениях сохраняется масса вещества системы и её энергия. Однако для обычных химических реакций и процессов можно пользоваться «законом» сохранения массы вещества – масса вещества не может создаваться или разрушаться, а может лишь изменять свою форму. Другими словами, в ходе химической реакции атомы веществ сохраняются, а масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. Практически законы сохранения используются для составления различных балансов, которые широко применяются при составлении уравнений реакций и в расчётных задачах.

Баланс по числу частиц ( атомов, ионов, молекул ) лежит в основе составления уравнений химических реакций. С помощью баланса по частицам расставляются стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций.