"Химия", Журин А.А.
Расчёты по химическим уравнениям помогают найти массу, количество вещества или объём газа, если известны данные о другом участнике реакции. Основа решения — уравненная реакция: её коэффициенты показывают, в каком соотношении реагируют частицы и образуются продукты. Чтобы перейти от массы к количеству вещества, используют молярную массу, а для газа при известных условиях — молярный объём. Обычно сначала находят количество вещества, а затем переводят его в требуемую величину.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Коэффициент химического уравнения — число перед формулой вещества, например 2 перед Mg в записи 2Mg + O₂. Он показывает соотношение частиц и количеств веществ, вступающих в реакцию или образующихся в ней. Коэффициенты нужны, чтобы сравнить количества реагентов и продуктов, а не их массы.
Расчёты по химическому уравнению — это нахождение количества, массы или объёма вещества по реакции и известным данным. Сначала количество вещества находят для того компонента, о котором есть информация, затем по коэффициентам связывают его с искомым. Такой способ позволяет решать задачи, даже если массы участников реакции различаются.
Молярная масса — масса одного моля вещества, обычно выражаемая в г/моль. Её находят по формуле: складывают относительные атомные массы всех атомов с учётом индексов, например M(MgO) = 24 + 16 = 40 г/моль. Молярная масса нужна, чтобы переводить массу в количество по формуле n = m/M и обратно: m = nM.
Молярный объём газа — объём одного моля газа при заданных условиях. Чтобы вычислить объём, количество газа умножают на молярный объём: V = nVₘ; для нормальных условий Vₘ = 22,4 л/моль. Условия указывают обязательно, потому что объём газа зависит от температуры и давления.
Уравнение сначала уравнивают, потому что в реакции атомы не исчезают и не возникают заново: они лишь перегруппировываются. Коэффициенты должны отразить одинаковое число атомов каждого элемента слева и справа. Если оставить уравнение неуравненным, записанное соотношение количеств веществ окажется неверным, и дальнейшие вычисления не смогут исправить эту ошибку.
После уравнивания коэффициенты читают как отношение количеств веществ. Например, в реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O на два количества водорода приходится одно количество кислорода и два количества воды. В задаче выбирают коэффициенты только тех веществ, о которых говорится в условии и вопросе; остальные могут помогать уравнять реакцию, но в вычислении отношения не участвуют.
Для перехода от массы к количеству используют молярную массу: n = m/M. Это необходимо, потому что коэффициенты сравнивают количества вещества, а не граммы: одинаковые массы разных веществ могут содержать разное число частиц. Если искомая величина — масса, найденное количество умножают на молярную массу. Для газа сначала находят его количество, а затем используют V = nVₘ при тех условиях, которые указаны в задаче.
Решение удобно строить от известного к искомому. Запишите и уравняйте реакцию, выпишите исходные данные, найдите количество вещества, для которого известна масса или объём, и примените отношение коэффициентов. После этого переведите количество искомого вещества в нужную величину: массу — через M, объём газа — через Vₘ. В конце проверьте единицы, условия и разумность ответа.
Расчёт по уравнению обычно даёт теоретическое количество продукта: столько вещества получилось бы при полном превращении чистого реагента без потерь. Если указана масса вещества с примесями, в расчёт берут только массу чистого реагента; например, её находят по доле чистого вещества. Если дан выход продукта, фактическую массу сравнивают с теоретической: при выходе меньше 100% реальный результат будет меньше расчётного.
| Что рассчитываем | Связь с количеством вещества | Что использовать из уравнения | Переход к искомой величине |
|---|---|---|---|
| Массу вещества | n = m/M | Коэффициенты исходного и искомого веществ | m = nM |
| Количество вещества | n = m/M или n = V/Vₘ для газа | Коэффициенты исходного и искомого веществ | Выразить n из известной массы или объёма |
| Объём газа | V = nVₘ | Коэффициенты исходного вещества и газа | Умножить количество газа на Vₘ при данных условиях |
| Отношение количеств реагентов и продуктов | n₁:n₂ = ν₁:ν₂ | Коэффициенты ν₁ и ν₂ уравнения | Найти количество искомого вещества по известному |
Пользуйтесь таблицей от исходной величины: сначала определите количество известного вещества, затем найдите отношение коэффициентов. Последний переход выбирайте по вопросу задачи — к массе, количеству или объёму газа. Перед применением Vₘ проверьте, при каких условиях задан газ.
По уравнению 2Mg + O₂ → 2MgO рассчитайте массу MgO, образующегося из 12 г Mg. Сначала выясним, сколько магния дано в молях: без этого нельзя напрямую применить коэффициенты, ведь они сравнивают количества вещества. Затем учтём соотношение Mg и MgO и переведём результат в граммы.
Найдём молярную массу магния: M(Mg) = 24 г/моль. Тогда количество магния равно n(Mg) = 12/24 = 0,5 моль. Масса переведена в количество вещества, подходящее для сравнения по уравнению.
В уравнении коэффициенты Mg и MgO равны 2 и 2, поэтому их количества относятся как 2:2, то есть 1:1. Значит, n(MgO) = 0,5 моль. Коэффициенты кислорода для этого расчёта не нужны.
Молярная масса MgO равна 24 + 16 = 40 г/моль. Масса оксида магния: m(MgO) = 0,5 · 40 = 20 г. Ответ: из 12 г магния образуется 20 г MgO.
При разложении 25 г CaCO₃ по уравнению CaCO₃ → CaO + CO₂ найдите массу CaO. Здесь коэффициенты карбоната кальция и оксида кальция равны единице, но это ещё не означает равенство их масс. Сначала переведём исходную массу в количество вещества, а затем используем молярную массу продукта.
Вычислим молярную массу CaCO₃: 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль. Количество карбоната кальция составляет n(CaCO₃) = 25/100 = 0,25 моль. Это количество можно соотнести с количеством CaO.
По уравнению CaCO₃ и CaO образуются в отношении 1:1. Поэтому n(CaO) = 0,25 моль. Молярная масса CaO равна 40 + 16 = 56 г/моль.
Переведём количество оксида в массу: m(CaO) = 0,25 · 56 = 14 г. Ответ: получится 14 г CaO, если разложение прошло полностью и карбонат кальция чистый.
По уравнению Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ найдите объём водорода при нормальных условиях, получаемого из 13 г Zn. Объём газа нельзя определить непосредственно по массе цинка: сначала нужен переход к количеству вещества. Затем коэффициенты свяжут цинк с водородом, а нормальные условия позволят применить молярный объём 22,4 л/моль.
Молярная масса цинка приблизительно равна 65 г/моль. Значит, n(Zn) = 13/65 = 0,2 моль. Это исходное количество для дальнейшего расчёта.
Коэффициенты Zn и H₂ равны 1 и 1, значит, отношение количеств равно 1:1. Поэтому из 0,2 моль цинка образуется 0,2 моль водорода. HCl в этом расчёте не нужен, если он дан в достаточном количестве.
При нормальных условиях Vₘ = 22,4 л/моль. Тогда V(H₂) = 0,2 · 22,4 = 4,48 л. Ответ: получится 4,48 л водорода при нормальных условиях.
Использование неуравненного уравнения или неверных коэффициентов искажает соотношение количеств веществ. Так бывает, если начать вычисления сразу после записи реакции и не пересчитать атомы элементов по обе стороны. Проверьте число атомов каждого элемента слева и справа, прежде чем подставлять коэффициенты в отношение.
Индексы в формулах иногда принимают за коэффициенты, потому что оба числа связаны с записью вещества. Но индекс показывает число атомов в частице, а коэффициент — количество частиц или вещества; менять индекс при уравнивании нельзя. Чтобы проверить себя, посмотрите, стоит ли число перед формулой или внутри неё у символа элемента.
Прямое сравнение масс реагента и продукта даёт ошибку, потому что коэффициенты не являются отношением масс. Её допускают, когда переносят числа из уравнения сразу в пропорцию граммов. Сначала переведите массу в моли через молярную массу, примените коэффициенты и только затем получите искомую массу.
Молярный объём газа нельзя применять без проверки условий: его значение зависит от температуры и давления. Часто запоминают 22,4 л/моль и используют его в любой задаче, хотя эти 22,4 л относятся к нормальным условиям. Сверьте условия в условии задачи и подпишите их в ответе, если находили объём газа.
Для решения задач нужно уметь составлять и уравнивать химические реакции, а также определять относительную молекулярную и молярную массы. Полезно знать связи между массой, количеством вещества и числом частиц: они помогают переходить от измеряемых величин к соотношениям уравнения. Расчёты с газами требуют понимания условий применения молярного объёма. Позже тот же порядок действий пригодится в задачах на избыток реагента, выход продукта и практические расчёты химических реакций.
Почему для расчётов обязательно уравнивать реакцию?
Только уравненное уравнение правильно показывает, сколько частиц каждого вещества реагирует и образуется. Его коэффициенты задают соотношение количеств веществ, поэтому ошибка в них приведёт к неверному результату.
Можно ли использовать коэффициенты уравнения как отношение масс веществ?
Нет, коэффициенты показывают отношение количеств вещества, а не масс. Чтобы сравнить массы, сначала учитывают молярные массы: m = nM.
Как из известной массы реагента найти массу продукта?
Переведите массу реагента в количество вещества по формуле n = m/M. Затем примените отношение коэффициентов уравнения, найдите количество продукта и переведите его в массу по формуле m = nM.
Когда в расчётах можно применять молярный объём газа?
Молярный объём применяют для газов, когда известны условия, при которых дан объём. Например, при нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Что делать, если в условии дана масса вещества, а спрашивают объём газа?
Сначала по молярной массе найдите количество вещества исходного вещества. Через коэффициенты уравнения определите количество газа, а затем умножьте его на молярный объём, подходящий для указанных условий.
§ 14. Расчёты по химическим уравнениям
