РОЗРАХУНКИ ЗА РІВНЯННЯМИ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

Хімічні перетворення записують у вигляді схем і рівнянь реакцій. Наприклад, при реакції міді з розчином нітрату срібла на поверхні міді осідає срібло, а розчин приймає блакитне забарвлення, так як в ньому з'являється нова сіль - нітрат міді. Знаючи формули речовин, можна написати наступну схему реакції:

Схема показує вихідні речовини (реагенти) зліва від стрілки і продукти реакції праворуч від стрілки. Але тут ще не враховано принцип збереження атомів.

Число атомів кожного хімічного елемента при хімічних реакціях не змінюється.

Тому схему реакції слід перетворити в рівняння, поставивши перед формулами речовин стехіометричні коефіцієнти v:

В даному випадку головною «зачіпкою» для знаходження коефіцієнтів послужило наявність двох груп N0 ₃ у формулі нітрату міді справа. На цій підставі поставлений коефіцієнт 2 перед формулою нітрату срібла зліва. Після цього залишалося поставити коефіцієнт 2 перед формулою срібла. Формули інших речовин мають коефіцієнт 1 (не пишеться). Під кожною формулою в рівнянні реакції нодразумеваегся будь однакове число структурних одиниць N, відповідне конкретному завданні, досвіду, міркування. Отже, рівняння означає, що 2N формульних одиниць нітрату срібла реагують з iV атомів міді, перетворюючись в N формульних одиниць нітрату міді і 2N атомів срібла. Ми вже знаємо, що число структурних одиниць адекватно замінюється кількістю речовини. Тому настільки ж правильно сказати, що в даній реакції 2п моль нітрату срібла реагують з п моль міді, перетворюючись в п моль нітрату міді і 2 п моль срібла.

Якщо кожній формулі в рівнянні реакції відповідає 1 моль речовини, то таке перетворення становить один оборот (1 моль) хімічної реакції. У конкретних дослідах здійснюється різне число? (ксі) оборотів реакції. Поряд з терміном «оборот реакції» використовують також терміни «пробіг реакції» і « моль реакції».

Приклад 2.13. В результаті проведення обмінної реакції в розчині

утворилося 56,4 г світло-жовтого осаду броміду срібла. Скільки здійснено оборотів даної реакції?

Рішення. Знайдемо кількість речовини продукту реакції AgBr:

Освіта 2 моль AgBr - 1 оборот реакції;

освіту 0,3 моль AgBr -?, оборотів реакції.

Відповідь : дана кількість речовини AgBr відповідає 0,15 обороту реакції.

Речовини реагують між собою в кількостях, пропорційних стехиометрическим коефіцієнтами. У той же самий час вони можуть бути змішані в абсолютно довільних кількостях. Звідси виникає уявлення про стехиометрических і нестехиометрических сумішах або порціях речовин.

Порції вихідних речовин, в яких кількість речовини кожного реагенту пропорційно стехиометрическому коефіцієнту, називаються стехиометрическими.

Приклад 2.14. У дві посудини поміщені розчини, які містять 68,0 і 34,0 г нітрату срібла. У розчини опущені пластинки міді масою по 12,7 м Чи кількості вихідних речовин стехиометрическими?

Рішення. Візьмемо хімічну реакцію, наведену вище. Під формулами речовин впишемо молярні маси і маси речовин з умови. За формулою (2.5) обчислимо кількість речовини:

46

Ми бачимо, що в першій суміші кількості речовини відносяться як 2: 1, і отже, ця суміш стехіометрична. Речовини можуть прореагувати без залишку. У другій суміші зменшено кількість нітрату срібла; відношення становить 1: 1. Суміш Нестехіометричні. Нітрат срібла виявився в нестачі. Після закінчення реакції залишиться не вступила в реакцію мідь.

Розрахунки за рівняннями хімічних реакцій швидко виконуються і коротко записуються на основі наступного стехиометрического правила.

Для всіх речовин в рівнянні хімічної реакції відношення кількості речовини (що вступив в реакцію або утворився) до стехиометрическому коефіцієнту рівні між собою:

Величина п ' називається наведеним кількістю речовини.

Розглянемо на прикладах застосування стехиометрического правила до розрахунків за рівняннями хімічних реакцій.

Приклад 2.15. Яка маса хлору необхідна для освіти хлориду алюмінію А1С1 ₃ при реакції з 10,8 г алюмінію?

Рішення. Напишемо рівняння реакції і молярні маси речовин йод формулами:

На підставі стехиометрического правила

Робимо підстановку, використовуючи формулу (2.5):

Перетворимо рівняння для обчислення маси хлору і підставляємо числові значення:

Рішення можна уявити також у вигляді матриці, розміщеної під формулами речовин в рівнянні реакції:

У таблиці підкреслена маса алюмінію, дана в умові завдання. Послідовність операцій показана стрілками. Стрілка в останньому рядку означає застосування стехиометрического правила, тобто наведене кількість речовини хлору має дорівнювати наведеному кількості речовини алюмінію. Відповідь виділено жирним шрифтом і взятий в рамку, яку можна намалювати до початку обчислень. При табличній записи рішення стає обов'язковим фіксувати на папері найпростіші розрахункові вирази по рівняннях (2.5) і (2.6).

Приклад 2.16. При змішуванні розчинів хлориду кальцію і нітрату срібла утворилося 2,01 г осаду хлориду срібла. Які маси вихідних речовин вступили в реакцію?

Рішення. Застосуємо ще раз два варіанти запису рішення. Для скорочення запису введемо індекси в порядку розташування речовин в рівнянні реакції.

Рівнянням хімічної реакції задається співвідношення між кількостями речовини (отже, і масами) реагуючих речовин і продуктів, що утворяться. При практичному здійсненні реакцій вихідні речовини не обов'язково беруться в стехиометрическом співвідношенні. Це робиться по ряду причин. Часто для повного перетворення одного вещесгва потрібен надлишок другого реагує речовини. Хімічна реакція може проводитися з метою знищення якогось отруйної речовини, яка потрапила в навколишнє середовище. Точно визначити його кількість в цьому випадку неможливо, і реактиви для знешкодження беруть свідомо в надлишку. Виникнення реакції може носити випадковий характер в природі або при будь-яких аваріях в побуті, лабораторіях і на заводах. При цьому також виходять нестехіометріческіе суміші реагуючих речовин. Одні речовини виявляються в надлишку, інші - в нестачі. Але у всіх цих випадках реакції протікають у відповідності зі своїми рівняннями.

Кількість речовини продуктів реакції визначається кількістю реагенту, взятого в нестачі.

Приклад 2.17. Яка маса сульфіду хрому Cr ₂ S ₃ утворюється в результаті реакції в суміші 4,0 г порошку хрому з надлишком подрібненої сірки?

Рішення. Вказівка про надлишок сірки означає, що весь взятий хром вступить в реакцію. Для скорочення запису нумеруем речовини. Розраховуємо через брак:

Приклад 2.18. Яка маса осаду фосфату кальцію Са ₃ (Р0 ₄ ) 2 утворюється але обмінної реакції в розчині між 118,9 г фосфату калію До ₃ Р0 ₄ і 99,9 г хлориду кальцію?

Рішення. Умовою завдання задані маси обох реагуючих речовин. Можливо, що одне з речовин взято в нестачі, і маса продукту буде розраховуватися по ньому. Запишемо рішення у вигляді матриці:

З порівняння значень п ' реагентів очевидно, що прореагувати може по 0,28 моль речовини, і стільки ж утворюється продукту реакції. Хлорид кальцію виявився в надлишку.

Стехіометричне правило можна застосовувати також для вирішення завдань на елементний склад хімічних сполук. У цьому випадку кількість речовини елемента ділять на його індекс в хімічній формулі.

Приклад 2.19. Яка маса алюмінію міститься в 200 г сульфіду алюмінію A1 ₂ S ₃ ?

Рішення. Згідно стехиометрическому правилом

Приклад 2.20. Маси вуглецю, фтору і хлору в одному з хімічних сполук відносяться як 1: 3,17: 5,92. Встановіть найпростішу формулу речовини. Перевірте правильність отриманої формули, враховуючи валентність атомів.

Рішення. Запишемо формулу речовини у вигляді С _Я Р ^ С1 ^. На основі стехіометричного правила для маси речовини, що містить 1 г вуглецю, 3,17 г фтору (Л,. = 19) і 5,92 г хлору (Л _; . = 35,5), можна написати:

Індекс «а» виявився найменшим. Беручи а = 1, отримаємо: b = 2, d = 2. Виходить формула CF ₂ C1 ₂ . Оскільки вуглець чотиривалентний, а фтор і хлор одновалентних, отримана формула не викликає сумнівів.