§ 23. Расчёты по уравнению химической реакции

Определения и обозначения

Стехиометрический коэффициент — число перед формулой вещества в уравнении химической реакции. Он показывает, сколько частиц вещества участвует в реакции относительно частиц других веществ. Благодаря коэффициенту можно определить, какие количества веществ нужно взять и сколько продукта получится.

Количественное соотношение веществ — отношение количеств реагирующих и образующихся веществ, которое задают коэффициенты уравнения. Например, коэффициенты 2 и 1 означают, что на две условные порции одного вещества приходится одна порция другого. Это соотношение необходимо, чтобы связать данные задачи с ходом реакции.

Расчёт по уравнению реакции — нахождение количества или массы одного вещества по известному количеству или массе другого вещества, участвующего в реакции. Сначала уравнение помогает установить соотношение веществ, затем известные данные переводят в нужные единицы. Такой расчёт позволяет предсказать, сколько реагента потребуется или сколько продукта можно получить.

Как это устроено

Перед вычислениями уравнение реакции нужно уравнять, то есть подобрать коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Атомы не исчезают и не возникают заново, поэтому уравнение должно отражать их сохранение. Если коэффициентов нет или они подобраны неверно, соотношение веществ для расчёта тоже окажется неверным.

Коэффициенты задают соотношение количеств вещества. Например, в уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O коэффициенты перед водородом и водой равны двум, поэтому их количества относятся как 2:2, то есть 1:1. Это значит, что из двух порций водорода образуются две порции воды; при этом речь идёт не о равных массах этих веществ.

Если дана масса, её сначала переводят в количество вещества по формуле n = m/M. Здесь n измеряется в молях, m — в граммах, а M — в граммах на моль. Так массу можно сопоставить с коэффициентами, потому что именно количества вещества, а не граммы, связаны отношением в уравнении.

Зная количество одного вещества, по коэффициентам находят количество другого. Если коэффициент известного вещества равен 2, а искомого — 1, количество искомого будет вдвое меньше количества известного. После этого массу рассчитывают по формуле m = nM, а объём газа при нормальных условиях — по формуле V = n·22,4 л/моль.

Удобная последовательность решения помогает не потерять нужный шаг и проверить ход вычислений. Сначала уравнивают реакцию и отмечают известное и искомое вещества, затем переводят данные в количество вещества и используют коэффициенты. В конце найденное количество переводят в требуемую массу или объём и записывают ответ с единицами измерения.

Порядок расчёта по уравнению реакции

Пользуйся таблицей как маршрутом: переходи к следующему этапу, когда выполнил предыдущий. На третьем этапе выбирай формулу по тому, какая величина дана в условии. Проверяй, что в ответе получена именно искомая величина и указаны её единицы.

Разбор задач

Задача 1. Какую массу воды можно получить при реакции 4 г водорода с избытком кислорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O? Кислорода достаточно, поэтому расчёт определяем по заданной массе водорода. Сначала выясним, сколько молей водорода соответствует этой массе.

1. Молярная масса H₂ равна 2 г/моль, поэтому n(H₂) = 4/2 = 2 моль.
2. Коэффициенты H₂ и H₂O равны 2 и 2. Значит, количество воды также равно 2 моль.
3. Молярная масса H₂O равна 18 г/моль. Масса воды: m = 2·18 = 36 г.

Ответ: можно получить 36 г воды. Такой результат имеет смысл: на каждый моль водорода по уравнению приходится один моль воды.

Задача 2. Какой объём углекислого газа при нормальных условиях выделится при разложении 10 г карбоната кальция: CaCO₃ → CaO + CO₂? Молярная масса CaCO₃ равна 100 г/моль. По уравнению одному молю карбоната кальция соответствует один моль углекислого газа.

1. Находим количество CaCO₃: n = 10/100 = 0,1 моль.
2. Отношение коэффициентов CaCO₃ и CO₂ равно 1:1, поэтому n(CO₂) = 0,1 моль.
3. При нормальных условиях один моль газа занимает 22,4 л. Следовательно, V(CO₂) = 0,1·22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л углекислого газа. Использовать молярный объём можно потому, что в условии указаны нормальные условия.

Задача 3. Какую массу оксида алюминия можно получить из 5,4 г алюминия при реакции с избытком кислорода: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃? Кислород не ограничивает образование продукта, поэтому используем количество алюминия. Коэффициенты показывают, что из четырёх молей алюминия образуются два моля оксида.

1. Молярная масса Al равна 27 г/моль. Тогда n(Al) = 5,4/27 = 0,2 моль.
2. По отношению коэффициентов 4:2 количество Al₂O₃ вдвое меньше: n(Al₂O₃) = 0,2·2/4 = 0,1 моль.
3. Молярная масса Al₂O₃ равна 102 г/моль. Масса продукта: m = 0,1·102 = 10,2 г.

Ответ: можно получить 10,2 г оксида алюминия. Перед вычислением массы продукта сначала понадобилось найти его количество по коэффициентам.

Типичные ошибки

Расчёт по неуравненному уравнению. Коэффициенты в таком уравнении не задают верного соотношения веществ, поэтому результат может оказаться неверным. Эту ошибку допускают, когда начинают считать сразу после записи схемы реакции. Проверь, что число атомов каждого элемента слева и справа совпадает.

Коэффициенты принимают за отношение масс. Коэффициенты показывают отношение количеств вещества, а массы могут различаться из-за разных молярных масс. Ошибка возникает, если просто умножить или разделить заданную массу на коэффициенты. Проверка: перед применением коэффициентов вырази известные данные в молях.

Коэффициент путают с индексом. Индекс внутри формулы показывает состав частицы, а коэффициент перед формулой — число частиц или порций вещества. Например, в 2H₂ цифра 2 перед формулой и индекс ₂ означают разное. Чтобы проверить себя, мысленно прочитай коэффициент как число молекул, а индекс — как число атомов в одной молекуле.

Не переводят результат в искомую величину или забывают единицы. После использования коэффициентов часто получается количество вещества, хотя задача спрашивает массу или объём. Это происходит, если остановиться сразу после нахождения молей. Сверь ответ с вопросом задачи, выполни последний перевод и запиши единицы измерения.

Связь с другими темами

Для таких расчётов нужно уметь составлять и уравнивать химические уравнения, находить молярную массу и пользоваться формулой n = m/M. Знание состава вещества помогает правильно вычислить его молярную массу, а закон сохранения атомов — расставить коэффициенты. Эти навыки пригодятся при задачах на объём газов, количество реагентов и продуктов, а также при изучении практического выхода продукта реакции.

Что запомнить

• Расчёт начинают с правильно уравненной реакции.
• Коэффициенты задают отношение количеств веществ, а не их масс.
• Для перехода от массы к количеству вещества используют n = m/M.
• Количество искомого вещества находят по отношению коэффициентов.
• Массу находят по формуле m = nM.
• При нормальных условиях объём газа находят по формуле V = n·22,4 л/моль.