Файл 1
Самостоятельное изучение темы «Расчеты по уравнениям реакции»
Необходимо повторить в школьном учебнике свойства основных классов неорганических соединений, понятие количество вещества и изучить предложенную ниже теоретическую информацию
Расчеты по уравнениям реакции
Все расчеты по уравнениям реакций основаны на количественных отношениях реагентов в химической реакции и на знании химических свойств элементов и их соединений. Решение может осуществляться арифметическим способом, либо алгебраическим способами, последний способ решения используется, когда задается смесь исходных реагентов или арифметический способ очень трудоёмок.
При расчетах по уравнению реакции важно помнить, что процесс взаимодействия не всегда может описываться однозначно, не всегда могут прореагировать до конца вещества. Так взаимодействие многоосновных кислот со щелочами и основными оксидами может идти с образованием кислой или средней соли, многокислотных оснований с кислотными оксидами и кислотами – с образованием основных и средних солей. Например:
SO2 + NaOH = NaHSO3 или SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O
H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O или H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O
Na2O + 2H2SO4 = 2NaHSO4 + H2O или Na2O + H2SO4 = Na2SO4 + H2O
Са(ОН)2 + НСI = СаОНСI + H2O или Са(ОН)2 + 2НСI = СаСI2 + 2H2O
При взаимодействии могокислотных оснований и многоосновных кислот могут образовываться кислые, основные и средние соли. Рассмотрим на примере взаимодействия серной кислоты с гидроксидом бария
Ва(ОН)2 + 2H2SO4= Вa(HSO4)2 + 2H2O и ВаО + 2H2SO4= Вa(HSO4)2 + H2O
2Ва(ОН)2 + H2SO4= (ВaОH)2SO4+ 2H2O и 2ВаО + H2SO4= (ВaОH)2SO4
Ва(ОН)2 + H2SO4= ВaSO4 + 2H2O и ВаО + H2SO4= ВaSO4 + H2O
Образование кислых и средних солей может происходить и при взаимодействии металлов с многоосновными кислотами.
Zn + 2H2SO4 = Zn (HSO4)2 + 2H2↑ Zn + H2SO4 = Zn SO4 + H2↑
Как видно из всех приведенных уравнений реакций, состав продуктов взаимодействия зависит от количественных соотношений исходных реагентов Рассмотрим примеры задач когда один из реагентов в растворах может реагировать с другим реагентом и растворителем, или оба реагента в смеси реагируют с одним и тем же веществом.
Задачи на смеси веществ чаще всего решаются алгебраически.
Пример 1.
К 100мл 5%-ого раствора соляной кислоты (плотность 1,02 г/мл) добавили 6,4 г карбида кальция. Сколько мл 15%-го раствора азотной кислоты (плотность 1,08 г/мл) следует добавить к полученной смеси для её полной нейтрализации.
Решение.
Карбид кальция может взаимодействовать как с кислотой, так и с водой.
1. Запишем уравнения реакций:
CaC2 + 2HCI = CaCI2 + C2H2 (1)
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 (2)
Ca(OH)2 + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + 2H2O (3)
2. Рассчитаем количество исходных продуктов по соотношению n = m/M
n (CaC2) = 6,4 / 64 = 0,1 моль n(HCI) = (100 ·1,02 · 0,05)/ 36,5 = 0,14 моль
Устанавливаем, что карбид кальция в избытке. В реакции (1) его прореагирует 0,07 моль, так как 1моль СаС2 реагирует с 2 молями HCI, а в реакции (2) – 0,03моль
3. По уравнению (2) устанавливаем, что образуется 0,03 моль Ca(OH)2, так как 1моль СаС2 образует 1моль Ca(OH)2, из уравнения (3) видно, что азотной кислоты пойдет на нейтрализацию 0,06 моль, так как вещества реагируют 1 : 2
4. Вычислим объём и массу раствора азотной кислоты:
m(раствора) = m (HNO3)/ ω = 0,06 моль · 63 г/моль/0,15 = 25,2 г. ω взята в долях единицы (15% или 0,15) объём кислоты находим по соотношению V = m/d,
V(HNO3) = 25,2/1,08 = 23,3 мл
Пример 2
Определите состав смеси, состоящей из кальция и оксида кальция, если при нагревании этой смеси с углеродом выделилось 4,48 л газа (н. у.) и образовалось 19,2 г продукта.
Решение
1. Рассмотрим отношение кальция и оксида кальция к углероду
Са + С = СаС2 (1)
СаО + 3С = СаС2 + СО (2)
Из уравнений видно, что газ выделяется только в реакции 2 и его количество равно n = V/ Vm n = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль
3. Установим, сколько карбида кальция образовалось в каждой реакции. В первой реакции образовалось 0,2 моль карбида кальция, так как из одного моля оксида кальция образуется один моль карбида. Массу карбида находим по соотношению m( г) = n моль· M г/моль и она равна 0,2 моль · 64 г/моль = 12,8 г. Во второй реакции получится 19,2- 12,8 = 6,4 г карбида кальция или 0,1 моль
4. Определим состав смеси. Согласно количественных отношений в реакциях (1) и (2), устанавливаем, что кальция в смеси 0,1 моль или 4 г, оксида кальция –
0,2 моль или 11,2 г.
Пример 3
В раствор, содержащий 15,9 г смеси сульфатов калия и магния, прибавили избыток хлорида бария, в результате образовалось 25,63 г сульфата бария. Определите массовую долю солей в исходной смеси.
Решение.
1. Запишем уравнения реакций и обозначим массу сульфата калия через х, а – сульфата магния через y.
х г m1
K2SO4 + BaCI2 = ↓BaSO4 + 2KCI (1)
М 174 г/моль 233 г/моль
y г m2
MgSO4 + BaCI2 = ↓BaSO4 + MgCI2 (2)
М 120 г/моль 233 г/моль
2. Найдем массу сульфата бария, образовавшегося в результате реакции (1) и реакции (2), расчетами по уравнениям реакции:
m1(BaSO4) = 233х/174 и m2(BaSO4) = 233у/120
3. Составим систему уравнений: х + у =15,9
233х/174 + 233у/120 = 25,63 и решим её, получим х = 8,74 г K2SO4 и у = 7,16 г MgSO4
4. Рассчитаем массовые доли солей в исходной смеси
ω (K2SO4) =[ m(K2SO4)/ m(смеси)] ·100% ω (K2SO4) = (8,74/15,9) ·100% = 55%
ω(MgSO4) = (7,16/15,9) ·100% = 45%
Пример 4
Смесь порошков магния и алюминия массой 1,5 г растворили в соляной кислоте, а выделившийся газ пропустили сначала через трубку, содержащую избыток оксида меди (II) и нагретую до 4000С, а затем через трубку с оксидом фосфора (V). Масса второй трубки увеличилась на 1,35 г. Определите массовые доли металлов в исходной смеси.
Решение.
1. Составим уравнения реакций
Mg + 2HCI = MgCI2 + H2↑ (1)
AI + 3HCI = AICI3 + 1,5 H2↑ (2)
CuO + H2 = Cu + H2O (3)
2. Устанавливаем, что увеличение массы трубки с оксидом фосфора (V) произошло за счет поглощения воды, полученной в реакции (3). Количество воды равно 1,35/18 = 0,075 моль. В воду вошёл весь водород, который образовался в реакциях 1-2 и пошел на восстановление оксида меди (II) и его количество равно 0,075 молям, так как n (Н2О) = n(Н2) (уравнение 3)
3. Решение задачи требует составления алгебраического уравнения, поскольку имеем смесь веществ, реагирующих с кислотой. Обозначим количество алюминия в смеси через х молей, а магния через у молей, Тогда масса алюминия 27х и масса магния 24у, количество водорода от алюминия составит 1,5х и количество от магния у. Составим систему уравнений с двумя неизвестными и решим ёе.
27х + 24у = 1.5
х + 1,5у = 0,075 , х = 0,033 моль и у = 0,025моль
4. Найдём массовые доли металлов в смеси
Масса алюминия равна 27· 0,0033 = 0,9 г, масса магния равна 24· 0,025 = 0,6 г
ω(Mg) = (0,6 : 1,5)· 100% = 40% и ω(AI) = (0,9 : 1,5)· 100% =60%
Очень часто при решении задач приходится использовать запись уравнения реакции в общем виде.
Пример 5
На растворение оксида металла массой 2,04 г потребовалось 14,6 г 30%-го раствора соляной кислоты. Какова формула оксида?
Решение.
1. Найдем массу соляной кислоты m (HCI) = (14,6 · 30)/ 100 = 4,38 г и количество соляной кислоты n = 4,38г/36,5 г/моль = 0,12 моль
2. Запишем уравнение реакции в общем виде и обозначим количество оксида
металла через х молей:
х моль 0,12 моль
Ме2Оn + 2n HCI = 2 MeCIn + n H2O
1 моль 2n моль
2. Выразим количество оксида металла из уравнения х = 0,12/2n = 0,06n и молярную массу оксида М(Ме2Оn) = m/n = 2,04n/0,06 = 34n
4. Так как n – это степень окисления металла, то она может принимать значения, равные +1, +2, +3. Методом подбора определяем значения, удовлетворяющее значениям молярной массы, Данный метод так же широко используется при решении расчетных задач. При n = 1 формула оксида Ме2О и его молярная масса 34 г/моль, тогда атомная масса равна (34 – 16)/2 = 9 г/моль. Такого металла нет. При n = 2 формула оксида МеО и его молярная масса 68 г/моль, тогда атомная масса равна (68 –16)/ = 52 г/моль. Металл может быть хром и оксид CrO. При n = 3 формула оксида Ме2О3 и его молярная масса 102 г/моль, тогда атомная масса равна (102 –48)/ 2= 27. Это алюминий.
Таким образом, условиям задачи отвечают два оксида CrO и AI2O3
Пример 6
После прокаливания на воздухе порошка алюминия масса порошка увеличилась на 1/8. Определите состав полученной смеси (в %).
Решение
1. Запишем уравнение реакции. установим количественные отношения
4AI + 3O2 = 2AI2O3
3моль 2моль
2. Пусть исходная масса алюминия – х, тога масса смеси после реакции будет равна (х+1/8х) = 1,125х. Конечная масса состоит из оксида алюминия и из не вступившего в реакцию алюминия
3. Увеличение массы произошло за счет того, что в реакцию вступил кислород воздуха и его масса равна 0,125х, а количество – 0,125х/32
4. Определим количество оксида алюминия по значению количества кислорода, исходя из количественных отношений в реакции горения алюминия
n(AI2O3)=2/3n(О2)= (2· 0,125х)/(3 · 32) = 0,125х/48 моль, М(AI2O3)=102г/моль,
следовательно, масса AI2O3)= (102· 0,125х)/48 = 0,266х
5. Определим состав полученной смеси –
ω(AI2O3) = (0,266х/1.125х)=0, 236 или 23,6%
ω(AI) = 100 – 23,6 = 76,4%
