§ 17. Расчёт количества вещества по уравнению реакции

Определения и обозначения

Количество вещества — физическая величина, обозначаемая буквой n. Её измеряют в молях (моль); 1 моль содержит одинаковое для любых веществ число частиц. Эта величина нужна, чтобы считать частицы вещества не по одной, а удобными большими порциями.

Стехиометрический коэффициент — число перед формулой вещества в уравнении реакции. Он показывает, сколько условных порций, молекул или формульных единиц вещества участвует в реакции. По этим числам находят, в каком количестве вещества реагенты расходуются и продукты образуются.

Мольное соотношение веществ — отношение их количеств в молях, заданное коэффициентами уравнения. Например, коэффициенты 2 и 1 означают соотношение 2 моль к 1 молю, а не обязательно равные массы. Такое соотношение позволяет перейти от известного количества одного вещества к неизвестному количеству другого.

Как это устроено

Уравнивание реакции нужно для сохранения числа атомов каждого элемента: атомы не исчезают и не возникают заново. Когда коэффициенты подобраны правильно, они показывают, сколько частиц каждого вещества вступает в реакцию или образуется. Поэтому уравнение описывает не только состав веществ, но и количественную сторону превращения.

Для реакции aA + bB → cC коэффициенты задают отношение n(A):n(B):n(C) = a:b:c. Это означает, что на каждые a моль вещества A приходится b моль B и c моль C. Индексы внутри формул состав вещества, а коэффициенты перед формулами — соотношение участвующих количеств.

Если количество одного вещества известно, его сопоставляют с коэффициентом, стоящим перед формулой этого вещества. Затем составляют пропорцию: известное количество делят на его коэффициент, а результат умножают на коэффициент искомого вещества. Так сохраняется единая «порция» реакции для всех участников.

Когда в условии дана масса, напрямую подставлять её в мольное соотношение нельзя. Сначала вычисляют количество вещества по формуле n = m/M, где m — масса, а M — молярная масса в г/моль. Полученные моли используют вместе с коэффициентами уравнения.

Чтобы найти массу продукта или реагента, сначала рассчитывают его количество вещества. Затем применяют формулу m = nM и умножают количество в молях на молярную массу в г/моль. Единицы сокращаются: моль · г/моль = г, поэтому результат получается в граммах.

Расчёт количеств веществ по уравнению реакции

Сначала впишите в таблицу вещества и коэффициенты из уравненной реакции. Затем отметьте, какое количество известно, а какое нужно вычислить. По двум соответствующим строкам удобно составить пропорцию и не перепутать коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1

Условие: В реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ образовалось 4 моль аммиака. Найдите количество азота, вступившего в реакцию.

1. Коэффициент N₂ равен 1, а коэффициент NH₃ равен 2.
2. Записываем соотношение n(N₂):n(NH₃) = 1:2.
3. Составляем пропорцию: x/1 = 4/2, откуда x = 2 моль.

Ответ: вступило в реакцию 2 моль азота. Сначала были сопоставлены именно количества веществ, потому что 4 моль аммиака соответствуют двум мольным «порциям» реакции.

Задача 2

Условие: В реакции 2Mg + O₂ → 2MgO прореагировало 12 г магния. Найдите количество вещества оксида магния.

1. Молярная масса магния M(Mg) = 24 г/моль, поэтому n(Mg) = 12/24 = 0,5 моль.
2. Коэффициенты Mg и MgO равны 2 и 2, значит n(Mg):n(MgO) = 2:2 = 1:1.
3. Следовательно, n(MgO) = 0,5 моль.

Ответ: количество оксида магния равно 0,5 моль. Перевод массы в моли выполнен до применения коэффициентов.

Задача 3

Условие: При разложении CaCO₃ → CaO + CO₂ получили 11 г углекислого газа. Найдите массу разложившегося карбоната кальция.

1. M(CO₂) = 44 г/моль, поэтому n(CO₂) = 11/44 = 0,25 моль.
2. Коэффициенты CaCO₃ и CO₂ равны 1:1, значит n(CaCO₃) = 0,25 моль.
3. M(CaCO₃) = 100 г/моль, поэтому m = 0,25 · 100 = 25 г.

Ответ: разложилось 25 г карбоната кальция. Здесь сначала использовали массу продукта, затем нашли его количество, количество исходного вещества и только после этого его массу.

Типичные ошибки

Несбалансированное уравнение. Если взять коэффициенты до уравнивания, соотношение веществ будет неверным, потому что число атомов не сохранено. Проверяйте количество атомов каждого элемента слева и справа.

Коэффициент принимают за массу. Число перед формулой показывает отношение количеств вещества, а не граммов. Чтобы получить массу, после мольного расчёта умножьте количество на молярную массу.

Коэффициенты переставляют местами. Такая ошибка появляется, когда при пропорции не сверяют формулы веществ. Подписывайте рядом с каждым коэффициентом его вещество и проверяйте, что известная величина стоит напротив нужной формулы.

Массу подставляют вместо количества вещества. Граммы нельзя напрямую сравнивать с коэффициентами. Сначала примените n = m/M, запишите единицу «моль», а затем продолжайте расчёт.

Связь с другими темами

До этой темы нужно уметь уравнивать химические реакции и находить молярную массу вещества по его формуле. Без этого нельзя правильно выбрать коэффициенты и перевести массу в моли.

Расчёт опирается на связь массы, молярной массы и количества вещества: n = m/M. Обратная формула позволяет найти массу: m = nM.

Этот способ используют в задачах на массы реагентов и продуктов, выход реакции и избыток вещества. Во всех таких задачах сначала устанавливают мольное соотношение по уравнению.

Что запомнить

• Расчёт по уравнению начинают с проверки, что оно уравнено.
• Коэффициенты задают отношение количеств веществ в молях.
• По известному количеству вещества можно найти количество другого вещества по коэффициентам.
• Массу перед расчётом переводят в количество вещества по формуле n = m/M.
• Чтобы получить массу вещества, количество вещества умножают на молярную массу.
• В ответе указывают единицы измерения и проверяют, к какому веществу относится найденная величина.