Е.Н.ФРЕНКЕЛЬ

Самоучитель по химии

Пособие для тех, кто не знает, но хочет узнать и понять химию

Часть I. Элементы общей химии
(первый уровень сложности)

Продолжение. Начало см. в № 13, 18, 23/2007;
6, 10, 13, 15/2008

Глава 8.
Расчеты по химическим формулам и уравнениям
(окончание)

 

8.3. Задачи, решаемые по уравнениям реакций

Для того чтобы решить любую задачу из этого раздела, необходимо знать

• теоретические основы задачи;

• общие принципы оформления расчета по уравнению химической реакции.

Поскольку теоретические основы изложены в различных разделах Самоучителя и других учебниках, перед решением задачи необходимо повторить нужный раздел.

Рассмотрим общие принципы оформления расчетов по уравнениям реакций.

8.3.1. Оформление расчетов по уравнениям реакций

Для того чтобы выполнить расчет по уравнению реакции, нужно:

• составить уравнение химической реакции, расставить коэффициенты;

• по коэффициентам уравнения химической реакции определить число молей реагирующих веществ;

• над формулами соединений указать данные задачи, отметив их размерность (г, л, моль);

• под формулами этих соединений сделать расчет таким образом, чтобы размерность величин над и под химическими формулами совпали;

• составить пропорцию из «верхних» данных и «нижних» результатов и выполнить расчет.

Разберем этот алгоритм на примере.

Задача 13. В раствор, содержащий 1,2 моль НCl, опустили избыток алюминия. Какой объем водорода выделится при этом?

Решение

Составим уравнение реакции и запишем данные задачи над формулами соединений. При этом обязательно укажем их размерность.

Составим пропорцию:

1,2 моль HCl – х л H₂

6 моль HCl – 67,2 л H₂,

Ответ. Выделится 13,44 л водорода.

Задача 14. Сколько граммов алюминия нужно растворить в соляной кислоте, чтобы получить
5,6 л водорода?

Решение

Составим уравнение реакции и запишем данные задачи над химическими формулами соединений. При этом обязательно укажем их размерность.

Составим пропорцию:

х г Al – 5,6 л H₂

54 г Al – 67,2 л H₂,

х = …………….. .

В случае, когда нужно определить объемы реагирующих газов, можно воспользоваться следствием из закона Авогадро: объемы реагирующих газов относятся как их коэффициенты в уравнении химической реакции.

Задача 15. Какой объем углекислого газа выделится при полном сгорании 6 л ацетилена С₂Н₂?

Решение

Из уравнения реакции следует:

где – количество вещества, моль.

Отсюда:

V(CO₂) = 2•V (С₂Н₂) = 2•6 (л) = 12 л .

Ответ. Выделится 12 л углекислого газа.

 

8.3.2. Задачи по теме
«Количественный состав растворов и смесей»

Состав смесей очень часто определяют в различных задачах (все задачи, в которых упоминаются растворы, например, задачи раздела 8.2.3). Дело в том, что растворы – это однородные смеси. Задачи такого типа решаются по-разному, но в любом случае следует помнить, что массу (объем) смеси нельзя подставлять в уравнение реакции и нельзя находить по уравнению реакции.

Задачи такого типа можно условно разделить на две группы:

1) задачи, в которых имеется хотя бы одна величина, которую можно сразу подставить в уравнение реакции и сделать необходимый расчет;

2) задачи, в которых таких данных нет.

Рассмотрим задачу первого типа.

Задача 16. Смесь меди и алюминия массой 10 г обработали раствором щелочи. При этом выделилось 10 л газа (н.у.). Определить состав смеси в мас. % (массовые доли алюминия и меди в смеси).

Решение

Составим уравнения реакций:

Cu + NaOH реакция не идет,

Составим пропорцию и определим массу алюминия в смеси:

х = 54 (г)•10 (л)/67,2 (л) = 8 г.

Отсюда:

(Al) = 8 (г)/10 (г) = 0,8 (80 %);

(Cu) = 0,2 (20 %).

Ответ. (Al) = 80%, (Сu) = 20%.

В задачах второго типа в химическом превращении участвуют все компоненты смеси, в результате чего образуется смесь газов или других продуктов реакции.

При получении растворов происходят не только физические процессы (дробление вещества, диффузия), но и взаимодействие вещества и растворителя. (Подробнее см. «Самоучитель по химии (первого и второго уровня), главы «Растворы».) Иногда в результате такого взаимодействия образуются совершенно новые вещества. В этом случае необходимо составить уравнение или схему происходящего процесса, а в расчетной формуле указывать, о каком веществе идет речь.

Задача 17. В 100 мл воды растворили 2 г кальция. Определить массовую долю вещества в полученном растворе.

Решение

Поскольку кальций реагирует с водой, составим уравнение соответствующей реакции:

Таким образом, в растворе содержится не кальций, а гидроксид кальция. Отразим это в расчетной формуле:

Значит, нам нужно вычислить m(Са(ОН)₂) по уравнению реакции и массу раствора:

m(Ca(OH)₂) = x = 2•74/40 = 3,7 г,

m(р-ра) = m(Н₂О) + m(Са) – m(H₂) = 100 (г) + 2 (г) – 0,1 (г) = 101,9 г.

Обратите внимание! Массу полученного раствора вычисляют, исходя из массы исходных веществ или смесей, добавляя к ним массы тех веществ, которые были добавлены, и вычитая массы веществ, которые вышли из сферы реакции в виде газа или осадка.

m(H₂O) = V• = 100 (мл)•1 (г/мл) = 100 г,

m(H₂) = у = 2•2/40 = 0,1 г,

(Ca(OH)₂) = 3,7 (г) / 101,9 (г) = 0,036 (3,6%).

Ответ. Массовая доля щелочи
составит 3,6%.

8.3.3. Задачи на установление формулы вещества

При установлении формулы неизвестного вещества обычно нужно или установить молярное соотношение элементов в нем, или определить его молярную массу.

В первом случае по уравнению реакции рассчитывают молярные соотношения полученных и (или) исходных веществ, а затем выводят искомую формулу.

Задача 18. Установить формулу алкена, если 11,2 г его при взаимодействии с бромоводородом образуют 27,4 г бромида.

Решение

Вначале рассчитаем массу бромоводорода, согласно закону сохранения массы:

m(HBr) = 27,4 (г) – 11,2 (г) = 16,2 г.

Составим уравнение реакции, используя общую формулу алкенов:

С_nH_2n + HBr = C_nH_2n+1Br.

По уравнению найдем количество вещества алкена:

(С_nH_2n) = (HBr) = 16,2 (г)/81 (г/моль) = 0,2 моль.

Теперь определим молярную массу неизвестного вещества:

М(С_nH_2n) = m/ = 11,2 (г)/0,2 (моль) = 56 г/моль.

Определим формулу неизвестного вещества, выразив его молярную массу через n:

М(С_nH_2n) = 12n + 2n = 14n.

Отсюда:

14n = 56, n = 4.

Ответ. Состав искомого алкена – С₄Н₈;
это 2-метилпропен.

8.4. Задачи для самостоятельного решения

1. Определить массу:

а) алюминия количеством 0,1 моль;

б) серной кислоты количеством 1,5 моль;

в) сульфата алюминия количеством 0,2 моль.

2. Определить количество вещества (моль):

а) магния массой 4,8 г;

б) азотной кислоты массой 126 г;

в) нитрата аммония массой 40 г.

3. Определить массы газов:

а) хлороводорода объемом 56 л;

б) озона О₃ объемом 14 л.

4. Определить объемы газов:

а) хлороводорода массой 72 г;

б) аммиака NH₃ массой 3,4 г.

5. Определить молярные массы газов, если:

а) 2 л газа имеет массу 2,86 г;

б) 10 г газа занимает объем 7,47 л.

6. Определить молярную массу газа, если:

а) плотность его равна 1,52 г/л;

б) плотность по кислороду равна 1,81.

7. Существуют ли газообразные соединения серы легче воздуха?

8. Какой объем водорода потребуется на восстановление 10,6 г Fe₃О₄ до железа? (Реакция идет по схеме:

М_xО_y + Н₂ —> M + H₂O.)

9. Сколько молей фосфора нужно сжечь, чтобы получить 28,4 г оксида фосфора(V)?

10. Какой объем кислорода потребуется для сгорания 8,8 г пропана С₃Н₈?

11. Какой объем кислорода требуется для полного сгорания 5 л этилена С₂Н₄?

12. Хватит ли 10 л кислорода для полного сгорания 17 л водорода?

13. Какой объем кислорода потребуется для полного сгорания 6,2 г фосфора? Сколько молей оксида фосфора при этом получится?

14. Через известковую воду пропустили 3 л воздуха. Выпало 0,1 г осадка. Определить объемную долю () углекислоты (CO₂) в воздухе.

15. 20 г мела опустили в соляную кислоту. При этом выделилось 4 л газа. Определить массовую долю () карбоната кальция в образце этого мела.

16. В 300 г раствора содержится 45 г поваренной соли. Определить (NaС1) в этом растворе.

17. В 300 мл воды растворили 100 г сахара. Определить (сахара) в полученном растворе.

18. В 2 л раствора (пл. = 1,05 г/мл) содержится 105 г соли. Определить (соли) в этом растворе.

19. В 200 мл воды растворили 56 л аммиака NH₃. Определить (NH₃) в этом растворе.

20. Сколько граммов воды и сахара нужно взять для приготовления 3 л 30%-го сиропа (плотность равна 1,13 г/мл)?

21. Какой объем 25%-го раствора можно приготовить из 150 г соли, если плотность раствора равна 1,2 г/мл?