asyan.org
добавить свой файл
1
Відповіді на завдання надсилати з 11.06.13 до 15.06.13 на електронну пошту

lsh8-2013@yandex.ua

Клас – 8

Дата – 11.06.13

Тема «Розрахунки за хімічними рівняннями маси, об’єму, кількості речовини реагентів та продуктів реакцій»

Як відомо, масу, об'єм, кількість речовини реагентів і продуктів реакцій визначають за допомогою стехіометричних розрахунків, які є найважливішими розрахунками в хімії, їх первинною основою є закон збереження маси речовини.

Для здійснення стехіометричних розрахунків треба знати хімічний склад, чистоту реагентів і продуктів реакції, наскільки повно відбувається хімічне перетворення.

Якісні й кількісні аспекти хімічних перетворень характеризують хімічні рівняння, або рівняння реакцій. Так, виходячи з рівняння

NaOH + НСl = NaCl + Н2О

і значень відносних молекулярних мас реагентів і продуктів, можна стверджувати, що кожні 40 г натрій гідроксиду реагують із 36,5 г хлороводню й утворюють 58,5 г натрій хлориду та 18 г води. В загальному випадку:

m(NaOH):m(НСl):m(NaCl):m(Н2О) = Mr(NaOH):Mr(HCl):Mr(NaCl):Mr(H2O).

Для реакції

Fe2(SO4)3 + 3Ba(NO3)2 = 2Fe(NO3)3 + 3BaSO4

справедливе співвідношення:

m[Fe2(SO4)3]:m[Ba(NO3)2]:m[Fe(NO3)3]:m(BaSO4) = Mr[Fe2(SO4)3]:3Mr[Ba(NO3)2]:2Mr[Fe(NO3)3]:3Mr(BaSO4).

Знаючи масу одного з реагентів (продуктів реакції), можна за допомогою пропорцій обчислити маси інших речовин, що вступають у реакцію й утворюються в результаті реакції.

Приклад 1. Скільки грамів калій ортофосфату треба взяти для повного осадження кальцій ортофосфату з розчину, що містить 4,1 г кальцій нітрату? Яка буде маса осаду?

Розв'язання. Складаємо рівняння реакції:

2K3РО4 + 3Ca(NO3)2 = Са3(РО4)2 + 6KNO3;

Мr(K3РО4) = 212; Mr[Ca(NO3)2] = 164; Мr[Са3(РО4)2] = 310г/моль.

Записуємо пропорції та розв'язуємо їх:

2212 г K3РО4 реагують із 3164 г Са(NO3)2;

х г K3РО4 — 4,1 г Ca(NO3)2;

х = 3,53 г K3РО4;

310 г Са3(РО4)2 утворюються із 3164 г Ca(NO3)2;

у г Са3(РО4)2 — 4,1 г Ca(NO3)2;

у = 2,58 г Са3(РО4)2.

Відповідь. Для повного осадження кальцій ортофосфату треба взяти 3,53 г калій ортофосфату, утвориться 2,58 г осаду.
Приклад 2. Визначити масу аміаку, що утворюється при нагріванні суміші - 14 г азоту та 14 г водню, якщо вихід продукту реакції в умовах досліду становить 20% від теоретично можливого.

Розв'язання. Оскільки вказано маси обох реагентів, то спочатку з'ясовуємо, чи не є один із них у надлишку:

N2 + 3Н2 = 2NH3;

Мr(N2)= 28; Мr(H2)= 2; Mr(NH3) = 17.

28 г N2 реагують із 32 г Н2;

14 г N2 — х г Н2;

х = З г Н2.

Водень узято в надлишку. Розрахунок слід вести за азотом:

із 28 г N2 утворюється 217 г NH3;

із 14 г N2 — у г NH3;

у = 17 г NH3.

Тут і далі, як правило, наводиться один із можливих способів розв'язання задачі, коротший чи раціональніший за інші.

Врахувавши вихід аміаку в умовах досліду, знаходимо, яка утвориться його маса: m(NH3) = 170,2 = 3,4 г.

Відповідь. При нагріванні суміші утворюється 3,4 г аміаку.
Якщо елемент міститься тільки в одному реагенті та в одному продукті реакції, то для розрахунку маси однієї з цих речовин, виходячи з маси іншої, достатньо знати лише їх хімічний склад (формули), не складаючи рівняння реакції.
Приклад 3. Карбон дисульфід масою 19 г спалили у надлишку кисню. Добутий сірчистий газ пропустили крізь хлорну воду і повністю окиснили його до сірчаної кислоти. Яка утворилася маса кислоти?

Розв'язання

Порівнюючи хімічний склад сульфуровмісних сполук - вихідної (CS2) і кінцевої (H2SO4) речовин у перетвореннях, робимо висновок, що із кожної молекули карбон дисульфіду утвориться дві молекули сірчаної кислоти. Складаємо пропорцію та розв'язуємо її: Mr(CS2) = 76; Mr(H2SO4) = 98;

Із 76 г CS2 утворюється 298 г H2SO4;

із 19 г CS2 — х г H2SO4;

х = 49 г H2SO4.

Відповідь. Утворилося 49 г сірчаної кислоти.
Задачі, в умовах яких ідеться про суміші, тобто вказано сумарні маси реагентів та продуктів реакції, розв'язують складанням математичного рівняння з одним невідомим чи системи двох рівнянь із двома невідомими.
Приклад 4. Після «розчинення» 2 г сплаву магнію з алюмінієм у надлишку соляної кислоти утворилося 9 г суміші хлоридів. Визначити масові частки металів у сплаві.

Розв'язання

Позначаємо масу магнію через х г. Тоді маса алюмінію становитиме (2 - х) г. Використавши значення відносних атомних мас елементів і відносних молекулярних мас хлоридів, обчислюємо маси солей, що утворилися. Знайдені маси міститимуть невідоме число х

Mr(Mg) = 24; Mr(MgCl2) = 95; Mr(Аl) = 27; Mr(AlCl3) = 133,5.

Із 24 г Mg утворюється 95 г MgCl2;

із х г — у г MgCl2;

у = 95х/24 г MgCl2.

Із 27 г Аl утворюється 133,5 г АlСl3;

Із (2-х) г Аl — z г AlCl3;

z = 133,5(2-х)/27 г АlСl3.

Знаходимо суму мас солей і складаємо рівняння: 95х/24 + 133,5(2 -х)/27 = 9; х = 0,9.

Отже, в 2 г сплаву міститься 0,9 г магнію та 1,1 г (2 - 0,9) алюмінію.

(Mg) = 0,9:2 = 0,45; (Al) = 1,1:2 = 0,55.

Відповідь. Масові частки металів у сплаві дорівнюють 0,45 (Mg) та 0,55 (Аl).
Одиницею виміру кількості речовини є моль. Один моль атомів, молекул, іонів містить 6,021023 часточок (число Авогадро). Маса 1 моль та молярна маса М чисельно дорівнюють відносним атомній, молекулярній або формульній масам і виражаються відповідно в грамах та в грамах на моль.

Відношення кількостей речовини реагентів і продуктів реакцій відповідають відношенню відповідних коефіцієнтів у хімічних рівняннях.

Стехіометричні розрахунки можна здійснювати, оперуючи не тільки масами речовин, а й кількостями речовини. Останнє часто забезпечує більш раціональне розв'язання задач, насамперед тих, що пов'язані з можливістю перебігу кількох реакцій залежно від співвідношення реагентів.
Приклад 5. Крізь розчин, що містить 22,4 г калій гідроксиду, пропустили 9,9 г вуглекислого газу. Які утворилися солі та яка маса кожної з них?

Розв'язання.

Калій гідроксид та вуглекислий газ можуть реагувати один з одним по-різному:

KОН + СО2 = KНСО3;

2KОН + СО2 = K2СО3 + Н2О.

М(СО2) = 44 г/моль; М(KOН) = 56 г/моль; М(K2СО3) = 138 г/моль; М(KНСО3) = 100 г/моль.

У першій реакції на 1 моль СО2 витрачається 1 моль KОН, у другій - 2 моль KОН. Згідно з умовою задачі, вуглекислого газу було 9,9:44 = 0,225 моль, а калій гідроксиду - 22,4:56 = 0,4 моль. Якби утворювалася лише кисла сіль, то частина лугу залишилася б невикористаною (0,4 - 0,225 = 0,175 моль). Крім того, для повного перетворення СО2 на середню сіль лугу недостатньо (є 0,4 моль, а треба 20,225 = 0,45 моль). Отже, при взаємодії взятих кількостей реагентів утворюються одночасно і кисла, і середня солі.

Тепер уявімо перетворення дещо по-іншому. При поступовому пропусканні вуглекислого газу крізь розчин лугу спочатку утворюватиметься середня сіль (доки луг не прореагує повністю):

2KОН + СО2 = K2СО3 + Н2О.

Тобто 0,4 моль KОН прореагує з половинною кількістю (0,2 моль) СО2, і утвориться 0,2 моль K2СО3. Вуглекислого газу залишиться 0,225 - 0,2 = 0,025 моль і ця кількість речовини реагуватиме із середньою сіллю:

СО2 + K2СО3 + Н2О = 2KНСО3.

Із 0,025 моль СО2 прореагує така сама кількість K2СО3 й утвориться 20,025 = 0,05 моль KНСО3. Залишиться (не прореагує) 0,2 - 0,025 = 0,175 моль середньої солі.

Маси калій карбонату та калій гідрогенкарбонату після закінчення перетворення становитимуть відповідно

0,175138 = 24,15 г та 0,05100 = 5 г.

Відповідь. Утворилося 24,15 г K2СО3 та 5 г KНСО3.
У багатьох хімічних реакціях беруть участь гази, і метою стехіометричних розрахунків часто є визначення їх об'ємів.

Об'єми реагуючих газів та газів - продуктів реакцій, згідно із законом об'ємних відношень, відносяться як невеликі цілі числа. Ці числа дорівнюють відповідним коефіцієнтам у рівняннях реакцій. Закон об'ємних відношень можна розглядати як наслідок закону Авогадро: в рівних об'ємах різних газів за однакових умов (температура, тиск) міститься однакова кількість молекул.
Приклад 6. Визначити склад суміші газів (в об'ємних частках) після закінчення реакції між однаковими об'ємами карбон (II) оксиду та кисню.

Розв'язання.

Нехай об'єми CO та О2 дорівнюють V л кожний. Відповідно до рівняння реакції:

2СО + О2 = 2СО2

кожні два об'єми CO реагують з одним об'ємом О2, внаслідок чого утворюється два об'єми СО2. Отже, в реакцію вступить V л CO і 0,5 V л О2 (залишиться 0,5 V л О2) та утвориться V л СО2. Після закінчення реакції матимемо суміш з 0,5 V л О2 та V л СО2.

Розрахунки проводять, припускаючи, що гази є ідеальними, тобто міжмолекулярна взаємодія в них відсутня.

Об'ємні частки газів становитимуть 0,5 V: (0,5 V+ V) = 0,333 (кисень) та V: (0,5 V+ V) = = 0,667 (вуглекислий газ).

Відповідь. Після закінчення реакції суміш містить 33,3% кисню та 66,7% вуглекислого газу за об'ємом.
Зміна зовнішніх умов приводить до зміни об'єму газу. Відповідні розрахунки ґрунтуються на об'єднаному газовому законі, або об'єднаному законі газового стану:

P1V1/T1 = P2V2/T2 (для певної маси газу).

Обчислення, пов'язані з перерахунком маси газу на його об'єм і навпаки, здійснюємо із використанням формули Менделєєва-Клапейрона: PV = mRT/M, де Р - тиск, кПа; V - об'єм, л; m - маса газу, г; R - універсальна газова стала (R = 8,31 Дж/мольK)).

В 1 моль будь-якого газу міститься однакова кількість молекул, а одна і та сама кількість молекул будь-якого газу за однакових умов займає однаковий об'єм. Отже, за однакових умов 1 моль будь-якого газу займає один і той самий об'єм. Цей об'єм газу за нормальних умов (температура 0ºС, або 273 K; тиск 101,3 кПа) дорівнює 22,4 л. Молярний об'єм газу має таке саме чисельне значення і виражається у літрах на моль.
Приклад 7. Чому дорівнює маса водню, яка за нормальних умов (н.у.) займає об'єм 4 л? Який об'єм займатиме та сама кількість газу при 27ºС та 150 кПа?

Розв'язання.

Розраховуємо масу газу:

2 г водню займає за н. у. об'єм 22,4 л;

х г водню — 4 л;

х = 0,357 г.

Обчислюємо об'єм газу при 27ºС (300 K) та 150 кПа: V = mRT/Mp = 0,3578,31300/(2150) = 2,97 л.

Відповідь. Маса 4 л водню (за нормальних умов) дорівнює 0,357 г. Об'єм цієї самої кількості газу при 27ºС та 150 кПа становитиме 2,97 л.
Для суміші газів, що не реагують між собою, розрізняють загальний тиск суміші та парціальні (часткові) тиски кожного газу. Загальний тиск дорівнює сумі парціальних тисків:

РЗАГ = Р1 + Р2 + Р3 + …+ Рn

Парціальний тиск газу в суміші визначається як тиск, який мав би газ із даною масою, якби він займав за тієї самої температури весь об'єм суміші.
Приклад 8. Кисень об'ємом 0,5 л і вуглекислий газ об'ємом 1 л помістили у посудину місткістю 2 л. Тиски кисню та вуглекислого газу до змішування становили відповідно 100 та 120 кПа. Знайти тиск газової суміші в посудині та парціальні тиски газів.

Розв'язання.

Парціальні тиски газів становитимуть: р(О2) = 1000,5/2 = 25 кПа; р(СО2) = 1201/2 = 60 кПа.

Визначаємо загальний тиск суміші: РЗАГ = р(О2) + р(СО2) = 25 + 60 = 85 кПа.

Відповідь. Загальний тиск суміші дорівнює 85 кПа, парціальний тиск кисню - 25, вуглекислого газу - 60 кПа.
У деяких задачах йдеться про газ, що перебуває над водою. Такий газ містить водяну пару (воду у газоподібному стані). Отже, у цьому випадку маємо справу із сумішшю газів. Звичайно робиться припущення, що газ насичений водяною парою. Значення тиску останньої, який є її парціальним тиском у газовій суміші, можна знайти у відповідній таблиці.

Окрім цього є задачі, що передбачають обчислення молярних мас газоподібних речовин. Одні задачі можна розв'язати з використанням наведеної раніше формули Менделєєва-Клапейрона, інші - молярного об'єму газу за нормальних умов або так званої відносної густини газу. Відносна густина газу за іншим газом (D) - це число, що показує, у скільки разів перший газ важчий за другий, і дорівнює відношенню мас рівних об'ємів газів. Якщо взяти молярні об'єми (за однакових умов вони рівні), то відношення мас цих порцій газів дорівнюватиме відношенню молярних мас речовин:

D = М12,

де М1 - молярна маса «першого» газу, відносна густина якого нас цікавить; М2 - молярна маса іншого газу - газу «порівняння».

При розв'язуванні задач, в умовах яких згадуються газові суміші, часто використовують поняття «середня молярна маса суміші». Під ним розуміють масу одного, гіпотетичного («середнього») моля:

МСР = (m1 + m2+ m3+ ...) / (1+ 2+ 3...),

де m1, m2, m3 - маса кожного з газів; 1,2, 3 - кількість речовини кожного газу.
Приклад 9. Маса 1 л повітря за нормальних умов становить 1,293 г. Визначити середню молярну масу повітря, відносну густину його за воднем та об'ємні частки азоту та кисню в ньому. Вважати, що інших газів у повітрі немає.

Розв'язання.

Обчислюємо середню молярну масу повітря МСР:

1 л повітря за н. у. має масу 1,293 г;

22,4 л — х;

х = 28,96 г.

МСР = 28,96 г/моль.

Відносна густина повітря за воднем становитиме:

D (за Н2) = МСР : М(Н2) = 28,96 : 2 = 14,48.

Об'ємні частки азоту та кисню в повітрі можна знайти так. Беремо порцію повітря, в якій сумарна кількість речовини азоту й кисню становить 100 моль. Нехай кисню в ній міститься у моль, а азоту - (100 -у) моль. Маса у моль кисню становить 32- г, а (100 - у) моль азоту - 28 (100 - у) г. Загальна маса 100 моль суміші газів дорівнює 32у + 28(100 - у) г, а маса одного («середнього») моля - {[32у + 28(100 - у)]:100} г. Складаємо рівняння і розв'язуємо його:

[32у + 28(100 - у)]:100 = 28,96;

у = 24.

Отже, у повітрі на 24 моль кисню припадає 76 моль азоту. Оскільки об'єми газів пропорційні кількостям речовини, то склад повітря в об'ємних частках такий, %: кисень - 24; азот - 76.

Відповідь. Середня молярна маса повітря дорівнює 28,96 г/моль, відносна густина повітря за воднем - 14,48, об'ємні частки, %: кисню - 24, азоту - 76.
ЗАВДАННЯ

1. Яка маса та якої сполуки утворюється при спалюванні 5 кг алюмінію в надлишку кисню?

2. Яка маса міді прореагувала з азотною кислотою, якщо утворилося 2,35 г купрум нітрату?

3. У розчині міститься 10 г аргентум нітрату. Скільки грамів калій хлориду слід добавити у розчин, щоб осадити весь Аргентум у вигляді хлориду? Скільки грамів аргентум хлориду при цьому утвориться?

4. Після використання фосфор (V) оксиду для осушування деякого газу маса першого збільшилася на 5 г. Скільки утворилося грамів метафосфатної кислоти?

5. При повному термічному розкладанні кальцій карбонату, що містив домішку кварцового піску, із 20 г речовини утворилося 12 г залишку. Визначте масову частку домішки у кальцій карбонаті.

6. Яку масу ферум (III) оксиду можна добути із 24,1 г залізоамонійних галунів NH4Fe(SO4)212Н2О? Які хімічні реакції для цього треба провести?

7. Оксид деякого елемента масою 12,5 г нагріли в струмені водню. Через деякий час нагрівання припинили. Маса залишку, який містив частину оксиду, що не прореагував, становила 11,7 г. Скільки грамів води утворилося в результаті реакції?

8. Процес гашення вапна припинили, коли маса твердої речовини збільшилася на чверть. Які сполуки містяться в добутому продукті та які масові частки кожної з них?

9. Хімічний склад звичайного скла часто виражають формулою Na2OСаО6SiO2. Яку масу силіцій (IV) оксиду, що містить 10% домішок, треба взяти для виробництва 1 т скла?

10. Яку масу колчедану, в якому масова частка Сульфуру становить 45%, треба взяти для добування 10 т безводної сірчаної кислоти, якщо втрати сірки на виробництві сягають 5%?

11. При взаємодії 2 г суміші порошків заліза та магнію з надлишком соляної кислоти виділилося 0,05 моль водню. Визначте хімічний склад суміші у масових частках.

12. Обчисліть маси 1 л водню та аміаку за нормальних умов.

13. Під час згоряння 12 л водню, взятого за нормальних умов, у надлишку кисню виділилося 8,5 г води. Чи містив водень негорючі домішки?

14. При спалюванні аміаку у кисні в присутності платинового каталізатора утворюються нітроген (II) оксид і водяна пара. Яке співвідношення об'ємів газів - реагентів та продуктів реакції?