Расчёты по уравнению реакции
Расчёты по уравнению реакции основаны на коэффициентах: они показывают количественное соотношение веществ, вступающих в реакцию и образующихся в результате. Чтобы решить задачу, нужно перевести известную величину в количество вещества, использовать соотношение коэффициентов, а затем найти искомую величину.
Что показывают коэффициенты уравнения
Сначала составляют и уравнивают реакцию. Коэффициенты перед формулами — это коэффициенты уравнения реакции. Они показывают не массы веществ, а отношение их количеств вещества, то есть числа молей. Например, в реакции образования воды
отношение количеств веществ равно \(n(\mathrm{H_2}):n(\mathrm{O_2}):n(\mathrm{H_2O})=2:1:2\). Это и есть стехиометрическое соотношение. Массы веществ обычно не относятся друг к другу так же, как коэффициенты, поскольку молярные массы различны.
Количество вещества \(n\) — физическая величина, характеризующая число частиц в порции вещества. Единица измерения — моль. Для перехода между массой и количеством вещества используют молярную массу.
В уравнении реакции количества веществ относятся друг к другу как коэффициенты: \(\frac{n_1}{\nu_1}=\frac{n_2}{\nu_2}=\ldots\), где \(\nu\) — коэффициент вещества в уравнении.
Перед решением полезно повторить тему количества вещества и вычисление молярной массы. Если вещество дано массой, его количество находят по формуле \(n=m/M\); если дан объём газа, применяют молярный объём или уравнение состояния — в зависимости от условий задачи.
Универсальный алгоритм решения
- Запишите формулы всех веществ и составьте уравнение реакции.
- Уравняйте реакцию, расставив наименьшие целые коэффициенты.
- Выпишите известную и искомую величины, обозначив количества веществ \(n\).
- Переведите исходные данные в количество вещества: массу — через \(n=m/M\), объём газа — через \(n=V/V_m\), число частиц — через \(n=N/N_A\).
- Используйте коэффициенты уравнения: найдите количество искомого вещества по пропорции.
- Переведите найденное количество в требуемую величину: массу, объём или число частиц.
- Проверьте единицы измерения и разумность ответа.
В формуле (2) \(V_m\) — молярный объём газа. При нормальных условиях в школьных задачах обычно принимают \(V_m=22{,}4\ \text{л/моль}\), если иное не указано. Для расчётов с газами полезна отдельная страница расчёты по уравнению реакции с газами.
В реакции \(2\mathrm{CO}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{CO_2}\) из 3 моль кислорода образуется сколько моль углекислого газа?
Расчёт массы продукта по массе реагента
Если в условии даны массы, нельзя составлять пропорцию непосредственно по массам. Сначала массу известного вещества переводят в моли, затем используют коэффициенты и только после этого вычисляют массу продукта. Такой тип подробно рассматривается на страницах расчёт массы реагента и расчёт массы продукта.
Найдём массу углекислого газа, который образуется при разложении 25 г карбоната кальция. Считаем, что карбонат кальция чистый и реакция идёт полностью.
Ответ: образуется \(11\) г углекислого газа. Если требуется найти именно количество продукта, последний шаг не выполняют: ответом будет \(n(\mathrm{CO_2})=0{,}25\) моль. Это соответствует типу задач расчёт количества продукта.
Другие исходные данные и два реагента
Если известен объём газа, его переводят в количество вещества, а затем действуют по тому же алгоритму. Для газов при одинаковых условиях объёмы относятся как коэффициенты, поэтому иногда можно сразу использовать объёмное отношение газов.
При известном числе частиц используют постоянную Авогадро: \(N_A\approx6{,}02\cdot10^{23}\ \text{моль}^{-1}\). Если требуется массовая доля растворённого вещества или примеси, сначала применяют расчёт по массовой доле, а затем уравнение реакции; это разобрано в теме расчёты по массовой доле и уравнению.
Если в условии даны два реагента, нужно вычислить количество каждого и определить, какой из них израсходуется первым. Его называют недостаточным реагентом; именно он ограничивает количество продукта. После этого решают задачу по странице расчёт по двум реагентам. Смеси веществ требуют отдельного анализа: см. смесь реагентов.
| Что дано | Промежуточный переход | Что найти после реакции |
|---|---|---|
| масса \(m\) | \(n=m/M\) | массу, объём или количество продукта |
| объём газа \(V\) | \(n=V/V_m\) | количество или массу вещества |
| число частиц \(N\) | \(n=N/N_A\) | любую требуемую величину |
| два реагента | найти \(n\) каждого и ограничивающий реагент | количество продукта |
1. Не уравнивают реакцию или используют индексы вместо коэффициентов. 2. Сравнивают массы реагентов, хотя сравнивать нужно количества вещества. 3. Забывают перевести миллилитры в литры и миллиграммы в граммы. 4. Подставляют массу в формулу \(n=V/V_m\) или объём в \(n=m/M\). 5. Округляют промежуточные результаты слишком рано. 6. Не учитывают массовую долю, выход продукта или примеси, если они указаны в условии.
Составьте краткую таблицу: вещество, коэффициент, данное количество, искомое количество. Тогда соотношение \(n/\nu\) становится заметным, а риск перепутать реагент и продукт уменьшается.
Пределы применения и связанные расчёты
Базовый алгоритм предполагает чистые вещества и полный выход продукта. Если выход меньше 100%, сначала находят теоретическую массу продукта, затем учитывают выход. Если известна масса фактически полученного продукта, по ней можно вычислить выход или чистоту исходного вещества. Эти задачи относятся к темам выход продукта, расчёт выхода по массе и расчёт чистоты по массе продукта. Комбинация нескольких этапов реакции изучается в разделе комбинированные химические расчёты.
Быстрая самопроверка
Проверьте алгоритм
Главное
- Уравняйте реакцию и используйте коэффициенты как отношение количеств веществ.
- Переводите исходные данные в моли: \(n=m/M\), \(n=V/V_m\) или \(n=N/N_A\).
- Найдите количество искомого вещества по соотношению \(n/\nu\), затем переведите его в нужную величину.
- При двух реагентах определите недостаточный реагент.
- Проверяйте единицы, чистоту вещества, выход продукта и условия для газов.