Расчеты по химическим уравнениям

Расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические расчеты) основаны на законе сохранения массы веществ. В реальных химических процессах из-за неполного протекания реакций и потерь масса продуктов обычно меньше теоретически рассчитаной. Выходом реакции (ŋ) называют отношение реальной массы продукта (m_{практическая}) к теоретически возможной (m_теоретическая), выраженное в долях единицы или в процентах:

ŋ= (m_{практическая} / m_{теоретическая}) • 100%.

Если в условиях задач выход  продуктов реакции не указан, его в расчетах принимают за 100% (количественный выход).

 

Пример 1. Сколько г меди образуется при восстановлении 8 г оксида меди водородом, если выход реакции составил 82% от теоретического?

Решение: 1. Рассчитаем теоретический выход меди по уравнению реакции:

CuO + H2 = Cu + H2O

80 г (1 моль) CuO при восстановлении может образовать 64 г (1 моль) Cu; 8 г CuO при восстановлении может образовать Х г Cu

2. Определим, сколько граммов меди образуется при 82% выходе продукта:

6,4 г –– 100% выход (теоретический)

Х г –– 82%

X = (8 • 82) / 100 = 5,25 г

 

Пример 2. Определите выход реакции получения вольфрама методом алюминотермии, если из 33,14 г концентрата руды, содержащей WO₃ и невосстанавливающиеся примеси (массовая доля примесей 0,3) было получено 12,72 г металла.

Решение 1) Определим массу (г) WO₃ в 33,14 г концентрата руды:

ω(WO₃)= 1,0 - 0,3 = 0,7

m(WO₃) = ω(WO₃) • m_руды = 0,7 • 33,14 = 23,2 г

2) Определим теоретический выход вольфрама в результате восстановления 23,2 г WO₃ порошком алюминия:

WO₃ + 2Al = Al₂O₃ + W.

При восстановлении 232 г (1 г-моль) WO₃ образуется 187 г (1 г-моль) W, а из 23,2 г WO₃ –– Х г W

X = (23,2 • 187) / 232 = 18,7 г  W

3) Рассчитаем практический выход вольфрама:

18,7 г  W –– 100%

12,72 г  W –– Y%

Y = (12,72 • 100) / 18,7 = 68%.

 

Пример 3. Сколько граммов осадка сульфата бария образуется при сливании растворов, содержащих  20,8 г  хлорида бария и 8,0 г сульфата натрия?

Решение. Уравнение реакции:

BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄ + 2NaCl.

Расчет количества продукта реакции ведут по исходному веществу, взятому в недостатке.

1). Предварительно определяют, какое из двух исходных веществ находится в недостатке.

Обозначим количество г Na₂SO₄  –– X.

208 г (1моль) BaCl₂ реагирует с 132 г (1 моль) Na₂SO₄; 20,8 г –– с Х г

X = (20,8  • 132) / 208 = 13,2 г Na₂SO₄.

Мы установили, что на реакцию с 20,8 г BaCl₂ затратится 13,2 г Na₂SO₄, а дано 18,0 г Таким образом, сульфат натрия взят в реакцию в избытке, и дальнейшие вычисления следует вести по BaCl₂, взятому в недостатке.

2). Определяем количество граммов выпавшего осадка BaSO₄. 208 г (1 моль) BaCl₂ образует 233 г (1 моль) BaSO₄; 20,8 г –– Y г

Y = (233 • 20,8) / 208 = 23,3 г.

 

Закон постоянства состава

Впервые сформулировал Ж.Пруст (1808 г).

 

Все индивидуальные химические вещества молекулярного строения имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Из закона постоянства состава следует, что химические элементы соединяются в определенных количественных соотношениях.

Например, углерод с кислородом образует соединения с различным массовым соотношением элементов углерода и кислорода. СО С : О = 3 : 4 СО2 С : О = 3 : 8 Ни в каких других отношениях углерод с кислородом не соединяются. Это значит, что соединения СО и СО2 имеют постоянный состав, который определяется степенями окисления валентности углерода в соединениях. Валентность каждого элемента имеет определенные значения (их может быть несколько, переменная валентность), поэтому и состав соединений является определенным.

Все вышесказанное относится к веществам молекулярного строения. Так как молекулы имеют определенную химическую формулу (состав), то образуемое ими вещество имеет постоянный состав (совпадающий, очевидно, с составом каждой молекулы). Исключением являются полимеры (состоящие из молекул разной длины).

Сложнее обстоит дело с веществами немолекулярного строения. Речь идет о веществах в конденсированном (твердом и жидком состояниях). Т.к. NaCl – ионное соединение в твердом состоянии (чередование Na+ и Cl–) в газообразном – представляет собой отдельные молекулы NaCl. В капле жидкости или в кристаллике нельзя выделить отдельные молекулы. Например FeO

Fe²⁺ O^2– Fe²⁺ O^2– и т.д. идеальный кристалл

Закон постоянства состава требует, чтобы число ионов Fe2+ точно равнялось числу ионов O2–. А эти числа даже для очень маленьких кристалликов огромны (кубик, ребро 0,001 мм это – 5  1011). Для реального кристалла это невозможно. В реальном кристалле неизбежны нарушения регулярности. Оксид железа (II) может содержать измененное количество кислорода в зависимости от условий получения. Реальный состав оксида выражается формулой Fe1 – хO, где 0,16  х  0,04. Это бертоллид, соединение переменного состава в отличие от дальтонидов с х = 0. При нестехиометрическом составе ионного соединения обеспечивается электронейтральность. Вместо отсутствующего иона Fe²⁺ присутствуют Fe³⁺

В атомном (не ионном) веществе, некоторые атомы могут отсутствовать, а некоторые замещать друг друга. Такие соединения также относят к дальтонидам. Формула интерметаллического соединения меди с цинком, которое является составной частью латуни, существующего в интервале составов 40 – 55 ат % Zn можно записать так: (Cu0,.9 – 1,0Zn0,1 – 0)(Cu0 –,0,2Zn0 – 0,8) атомы меди могут замещаться атомами цинка и наоборот.

Закон постоянства состава, таким образом, строго выполняется для веществ молекулярного строения (исключения – высокомолекулярные) и имеет ограниченное применение для немолекулярных веществ.

Массовая доля элемента ω(Э)– это доля одного элемента в общей массе вещества. Вычисляется в процентах или в долях. Обозначают греческой буквой ω (омега). ω показывает, какую часть составляет масса данного элемента от всей массы вещества:

ω(Э) = (n • Ar(Э)) / Mr

где n - число атомов; Ar(Э) - относительная атомная масса элемента; Mr - относительная молекулярная масса вещества.

Зная количественный элементный состав соединения, можно установить его простейшую молекулярную формулу. Для установления простейшей молекулярной формулы:

1) Обозначают формулу соединения A_x B_y C_z

2) Рассчитывают отношение X : Y : Z через массовые доли элементов:

ω (A) = (х • Ar(А)) / Mr(A_xB_yC_z)

ω (B) = (y • Ar(B)) / Mr(A_xB_yC_z)

ω (C) = (z • Ar(C)) / Mr(A_xB_yC_z)

X = (ω (A) • Mr) / Ar(А)

Y = (ω (B)  • Mr) / Ar(B)

Z = (ω (C)  • Mr) / Ar(C)

x : y : z = (ω (A) / Ar(А)) : (ω (B) / Ar(B)) : (ω (C) / Ar(C))

3) Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.

4) Записывают формулу соединения.