Для ненормальных условий нужно использовать уравнение

ГДЗ учебник по химии 8 класс Габриелян. §29. Вопросы и задания. Номер №4

Придумайте условие задачи, в которой необходимо использовать приведённое ниже уравнение, и решите её:
$H_<3>PO_ <4>+ 3NaOH = Na_<3>PO_ <4>+ 3H_<2>O$

Решение

Какой объём воды и количество вещества соли образуется при нейтрализации 250 г раствора фосфорной кислоты гидроксидом натрия, если известно, что массовая доля фосфорной кислоты равна 40 %.
Дано:
m ( р−ра) = 250 мг;
ω ( $H_<3>PO_<4>$ ) = 40 %;
Найти:
$V (H_<2>O)$ − ?
$ n (Na_<3>PO_<4>)$ − ?
Решение:
$H_<3>PO_ <4>+ 3NaOH = Na_<3>PO_ <4>+ 3H_<2>O$ ;
$m (H_<3>PO_<4>) = m (р-ра) * ω (H_<3>PO_<4>) = 250 * 0,4 = 90 $ г;
$n = \frac$ ;
$M (H_<3>PO_<4>)$ = 3 * Ar (H) + 1 * Ar (P) + 4 * Ar (O) = 3 * 1 + 1 * 31 + 4 * 16 = 98 г/моль;
$n (H_<3>PO_<4>) = \fracPO_<4>)>PO_<4>)> = \frac<90> <98>= 0,092$ моль.
Запишем уравнение реакции и составим пропорции:
$\underset<1 моль><\overset<0,092 моль>PO_<4>>> +3NaOH = \underset<1 моль><\overset<х>PO_<4>>> + \underset<3 моль><\overset<3H_<2>O>>$ ;
$x = n (Na_<3>PO_<4>) = \frac<0,092 * 1> <1>= 0,092$ моль;
$y = n (H_<2>O) = \frac<0,092 * 3> <1>= 0,276 $ моль;
$V = V_ * n$ ;
$V_$ = 22,4 л/моль;
$V (H_<2>O) = V_ * n (H_<2>O) = 22,4 * 0,276 =6,18 $ л.
Ответ. 0,092 моль; 6,18 л.

Методы решения задач по химии. Задачи на вывод химической формулы вещества

Разделы: Химия

С задачами на вывод химической формулы вещества учащиеся встречаются при прохождении программы химии с 8 по 11 классы. К тому же, данный тип задач довольно часто встречается в олимпиадных заданиях, контрольно – измерительных материалах ЕГЭ (части В и С). Диапазон сложности данных задач достаточно широк. Как показывает опыт, у школьников часто возникают затруднения уже на первых этапах решения при выводе молярной массы вещества.

В данной разработке предлагаются задачи на нахождение формулы вещества, исходя из разных параметров в условиях. В представленных задачах приведены различные способы нахождения молярной массы вещества. Задачи составлены таким образом, чтобы учащиеся могли освоить оптимальные методы и различные варианты решения. Наглядно демонстрируются наиболее общие приёмы решений. Для учащихся предлагаются решённые задачи по принципу нарастания сложности и задачи для самостоятельного решения.

Вывод химической формулы вещества:

Номер задачи
(пример решения)

Вычисление молярной массы вещества

Задачи для самостоятельного решения

— на основании массовых долей (%) атомов элементов

M, где n — число атомов

Определить химическую формулу соединения, имеющего состав: натрий – 27,06%; азот – 16,47 %; кислород – 57,47%. Ответ: NaNO₃

— на основании массовых долей (%) атомов элементов и плотности соединения

М (CхНу) = D(Н2) ·М (Н2)

Относительная плотность паров органического кислородсодержащего соединения по кислороду равна 3, 125. Массовая доля углерода равна 72%, водорода – 12 %. Выведите молекулярную формулу этого соединения. Ответ:C₆H₁₂О

— по плотности вещества в газообразном состоянии

М (в-ва) = ρ · М (газообр. в-ва)

Относительная плотность паров предельного альдегида по кислороду равна 1,8125. Выведите молекулярную формулу альдегида. Ответ: C₃Н₆О

— на основании массовых долей (%) атомов элементов и массе соединения

М находится по соотношению,
или
M

Углеводород содержит 81,82 % углерода. Масса 1 л. этого углеводорода (н.у.) составляет 1,964 г. Найдите молекулярную формулу углеводорода.
Ответ: C₃Н₈

— по массе или объёму исходного вещества и продуктам горения

М (в-ва)=Vm·ρ

Относительная плотность паров кислородсодержащего органического соединения по гелию равна 25,5. При сжигании 15,3 г. этого вещества образовалось 20,16 л. СО₂ и 18,9 г. Н₂О. Выведите молекулярную формулу этого вещества.Ответ: C₆H₁₄О

Приводится пример решения задачи № 6 на применение уравнения Менделеева – Клайперона

Массовая доля кислорода в одноосновной аминокислоте равна 42,67%. Установите молекулярную формулу кислоты.

Решение:
Рассчитать молярную массу кислоты C_nН_2n (N Н₂) CОOH
w (О) =

M кислоты = 75 (г/моль)
Найти число атомов углерода в молекуле кислоты и установить её формулу М = 12 n + 2 n + 16 + 45 =75
14 n = 14, n = 1
Ответ: формула кислоты NН₂CН₂CОOH
М (NН₂CН₂ CОOH) = 75 г/моль

Вывести формулу соединения
C_nН_2n (N Н₂) CОOH

Относительная плотность углеводорода по водороду, имеющего состав: w(С) = 85,7 %; w (Н) = 14,3 %, равна 21. Выведите молекулярную формулу углеводорода.

Дано:
w (С) = 85,7 %
w (Н) = 14,3 %
D Н2 (CхНу) = 21

1. Находим относительную молярную массу углеводорода, исходя из величины его относительной плотности: М (CхНу)=D (Н₂) ·М (Н₂)

М (CхНу)= 21 · 2 = 42

m (Н) = 42г. /100% · 14,3 %= 6 г.
Находим количество вещества атомов углерода и водорода
n (С) = 36г :12 г/моль = 3 моль
n (Н) = 6г.: 1 г/моль = 6 моль

Ответ: истинная формула вещества C₃Н₆.

Вывести формулу соединения
CхНу- ?

Определите молекулярную формулу алкана, если известно, что его пары в 2,5 раза тяжелее аргона.

Дано:
Пары алкана в 2,5 раза тяжелее аргона

Решение:
По относительной плотности можно найти молярную массу алкана: М _{(C n Н 2 n + 2)} = 14 n + 2 = 2,5 · М(Ar) = 100 г/моль
Откуда n = 7.
Ответ: формула алкана C₇Н₁₄

Вывести формулу алкана
C n Н₂ n + ₂

Массовая доля углерода в соединении равна 39,97 %, водорода 6, 73 %, кислорода 53,30 %. Масса 300 мл. (н.у.) этого соединения равна 2,41 г. Выведите молекулярную формулу этого вещества.

Дано:
w (С) = 39,97 %
w (Н) = 6,73 %
w (0) = 53,30 %
Vн.у. (CхHуОz) = 300 мл.
m (CхHуОz) = 2,41 г.

Решение:
Для расчёта выбираем 100г. соединения. Тогда масса углерода равна 39,97 г; водорода 6,73 г; кислорода 53,30 г.
1. Определяем количество вещества:
n (С) = 39,97г :12 г/моль = 3,33 моль
n (Н) = 6,73г.: 1,008 г/моль = 6,66 моль
n (0) = 53,3г.: 16 г/моль = 3,33 моль
Определяем наименьшее общее кратное – 3,33.
n (С) : n (Н) : n (0) = 1 : 2 : 1
Простейшая формула соединения – CH₂О
М (CH2О) = 30 г/моль
Определяем молярную массу соединения по соотношению:
0,3 л. – 2,41 г.
22,4 л. – х г.
х = (22,4 · 2,41)/0,3 = 180
Или по формуле М= Vm · m/ V
К = 180 : 30 = 6
Определяем молекулярную формулу соединения, умножая стехиометрические коэффициенты в простейшей формуле на 6.
Ответ: искомая формула — C₆H₁₂О₆

Вывести формулу соединения
CхНуОz- ?

Какова молекулярная формула углеводорода, имеющего плотность 1,97 г/л, если при сгорании 4,4 г. его в кислороде образовалось 6,72 л. СО2 и 7,2 г. Н2О.

Дано:
M (CхHу) = 4,4 г.
ρ (н.у.) = 1,97 г/л
V (СО2) = 6,72 л.
m (Н2О) = 7,2 г.

Решение:
1. Находим относительную молярную массу углеводорода, исходя из величины его относительной плотности:
М (CхHу) = Vm · ρ
М (CхHу) = 22,4л/моль · 1,97г/л = 44г/моль
2. Записываем в алгебраическом виде уравнение реакции горения газа, выразив коэффициенты через х и у.

Составляем пропорции:
4,4 / 44 = 6, 72/ х · 22,4
х = 44 · 6, 72/ 4,4 · 22,4 = 3
у = 44 · 7,2/ 4,4 · 9 = 8
Формула соединения C₃H₈; М (C₃H₈) = 44 г/моль
Ответ: молекулярная формула соединения C₃H₈

Вывести формулу
CхHу — ?

Соединение содержит 62,8% S и 37,2% F. Масса 118 мл данного соединения при 70 и 98,64 КПа равна 0,51 г. Вывести формулу соединения.

Дано:
w (S) = 62,8 %
w (F) = 37,2 %
m (CхHу) = 0,51 г
V (CхHу) = 118 мл.
Т = 70
Р = 98,64 кПа

1. Определяем простейшую формулу соединения:

n(S) : n(F) = 62,80/32 : 37,2/19 = 1,96 : 1,96 = 1 : 1
Простейшая формула S F

1. Находим молярную массу соединения:

M= (0, 51 · 8,31 · 280)/(98,64 ·103·118 ·10-6) = =101,95 г/моль.

Следовательно, формула соединения S₂ F₂

Химические процессы и реакторы (стр. 2 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Если т. е. реагент А взят в избытке, то, как следует из уравнения (1.5), х А В .

Если же (1.6)

т. е. взят в избытке реагент В, то х А > х В .

Необходимо помнить, что степень превращения – это доля первоначального количества реагента, т. е. пределы изменения х определяются соотношением

Следовательно, если один из реагентов (например, реагент В) взят в избытке, то с учетом выражений (1.5) и (1.6) всегда х В А = 1.

Обычно при выборе первоначального состава реакционной смеси берут в избытке более дешевый реагент (например, воздух, воду и т. д.) с целью повышения степени использования более ценного сырья.

Не всегда возможно достичь полного использования реагента (т. е. условия х = 1). Большинство химических реакций обратимы. Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения

где n А , е – количество реагента А в условиях равновесия; | n А , е | – изменение количества реагента А к моменту наступления равновесия (максимально возможное при данных условиях осуществления химической реакции).

Используя степень превращения реагентов, можно определить количество продуктов R и S, образовавшихся в результате реакции (I), не осложненной наличием побочных взаимодействий. Изменение количества продукта реакции (I), например продукта R, в соответствии со стехиометрическими соотношениями (1.2) можно выразить через изменение количества реагента А или реагента В. Если первоначальное количество продукта R равно нулю (п R ,0 = 0), то

, (1.7)

или .

В качестве ключевого реагента, через степень превращения которого выражают количества продуктов, удобно брать реагент, взятый либо в недостатке, либо в стехиометрическом соотношении к другому реагенту. Например, если в качестве такого выбран реагент А, должно выполнятся условие

. (1.8)

Максимально возможное количество продукта R, которое может быть получено при проведении обратимой реакции

аА+ bB rR + sS , (IV)

рассчитывают как равновесное количество этого продукта R, e:

. (1.9)

Если реакционный объем V – постоянная величина (V = const), то во всех приведенных выше соотношениях количества реагентов и продуктов могут быть заменены молярными концентрациями. Например,

Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но этой величины не всегда достаточно для характеристики процесса с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности – выход продукта.

Выход продукта – отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Обозначим выход продукта R через Ф R . Тогда

Величина n R ,max в уравнении (1.10) зависит от типа осуществляемой химической реакции. Рассмотрим несколько различных реакций.

Необратимая химическая реакция (I). Максимально возможное количество продукта R в такой реакции будет получено, если весь реагент А (n А , 0 ) вступит в реакцию [при этом в качестве реагента А должен быть выбран такой, который удовлетворяет условию (1.8)]

. (1.11)

Так как в соответствии с уравнением (1.7) n R = n A ,0 x A (r/a), то

т. е. для простых необратимых реакций выход продукта и степень превращения реагента совпадают. Однако для других типов химических реакций эти два критерия эффективности различаются.

Обратимая химическая реакция (III). Для такой реакции максимально возможное количество продукта R определяется по уравнению (1.9) как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции (температура, давление, соотношение начальных концентраций реагентов). Тогда с учетом уравнения (1.7)

(1.12)

Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции.

Пример 1.1. Пусть протекает реакция

А + 2В 2R + S.

Начальное количество реагентов n А ,0 = 10 кмоль; n B ,0 = 25 кмоль. В реакционной смеси, выходящей из реактора, содержится 12 кмоль продукта R. Известно, что в равновесной смеси при данных условиях проведения реакции содержится 2,5 кмоль продукта А.

Определим выход продукта R (Ф R ). В соответствии с уравнением (1.12)

Определим степень превращения х А , используя уравнение (1.7):

Равновесная степень превращения

Для определения выхода продукта Ф R в данном примере можно также рассчитать n R ,e = (n A ,0 – n A ,e )(r/a) = 15 кмоль и воспользоваться уравнением (1.10): Ф R = n R / n R , e = l2 / 15 = 0,8.

Параллельные и последовательные реакции. Рассмотрим две параллельно протекающие реакции, в которых наряду с целевым продуктом R получаются продукты побочной реакции:

(V)

Максимально возможное количество продукта R будет получено в том случае, если весь исходный реагент А при соблюдении условия (1.8 ) будет реагировать только по целевой реакции. Тогда

. (1.13)

Следует помнить, что выразить n R через степень превращения и начальное количество А в случае сложной реакции нельзя, так как расходование вещества А происходит не только в целевом направлении, но и в побочном.

Так же будет выглядеть и выражение для выхода целевого продукта R для последовательных реакций, например реакций типа

aА rR sS.

При протекании обратимых параллельных и последовательных реакций максимально возможным количеством целевого продукта будет то количество R, которое было бы получено, если бы реагент А расходовался только на целевую реакцию и в момент равновесия продуктов побочных реакций не было бы.

Таким образом, для обратимых сложных реакций

(1.14)

Как и степень превращения, выход продукта для реакционных систем с постоянным объемом может быть определен как отношение концентраций. Следует также помнить, что выход, выражаемый как доля от некоторой предельно возможной величины, изменяется от 0 до 1.

Селективность. Выход продукта характеризует полученный результат, как долю от предельно возможного результата. Целесообразно оценить и реальную ситуацию, т. е. дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.

Критерием для такой оценки является селективность. Селективность, как и два предыдущих критерия эффективности, выражают в долях единицы или процентах.

Полная, или интегральная, селективность φ – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую, и побочные):

.

Мгновенной, или дифференциальной, селективностью φ/ называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов:

,

где – скорость расходования реагента А по целевой реакции; – суммарная скорость расходования реагента А.

Использование дифференциальной селективности при анализе технологических процессов будет описано в гл. 3. Здесь рассмотрим только полную селективность.

Для реакций (III) полная селективность по целевому продукту R может быть выражена через количество полученного продукта R и количество реагента А, суммарно израсходованного на реакцию.

С учетом стехиометрических соотношений количество реагента А, вступившего в реакцию образования целевого продукта, равно (a/r) n R .

Тогда полная селективность

(1.15)

Знаменатель в уравнении (1.15) можно заменить через количество полученных продуктов целевой и побочной реакции с учетом стехиометрических соотношений:

Пример 1.2. Рассмотрим в качестве примера параллельные реакции

4NH 3 + 5О 2 4NO + 6Н 2 О;

4NH 3 + ЗО 2 2N 2 + 6H 2 O.

Целевой является реакция получения оксида азота NO.

Селективность можно рассчитать по количеству полученных на выходе из реактора продуктов целевой реакции (оксида азота) и побочной реакции (азота):

Между выходом целевого продукта, степенью превращения исходного реагента и селективностью существует простая связь. Рассмотрим ее сначала на примере необратимых параллельных реакций (IV).

В соответствии с уравнением (1.13) выход продукта R

(1.16)

Реально полученное количество продукта R можно выразить через селективность, пользуясь уравнением (1.15)

. (1.17)

После подстановки уравнения (1.17) в уравнение (1.16) получим

. (1.18)

Если параллельные реакции обратимы, то максимально возможное количество продукта R, которое могло бы получиться при отсутствии побочной реакции, определяется условиями равновесия. Тогда для определения выхода продукта нужно применить уравнение (1.14). Подставляя в него значение количества реально полученного продукта R, выраженного с помощью уравнения (1.17), будем иметь более общее уравнение связи между выходом, селективностью и степенью превращения:

,

. (1.19)

Из уравнений (1.18) и (1.19) следует, что при выборе условий проведения сложных химических реакций недостаточно обеспечить только высокое значение степени превращения реагентов или только высокую селективность; высокое значение выхода целевого продукта определяется некоторой совокупностью этих критериев эффективности.

Оптимальными значениями выхода, селективности и степени превращения будут, как правило, такие, достижение которых позволяет обеспечить максимальную экономическую эффективность процесса.

Производительность и интенсивность. Важным критерием эффективности работы отдельных аппаратов, цехов или заводов в целом является производительность.

Производительность – это количество продукта, полученное в единицу времени:

,

где П – производительность; n R – количество продукта; τ – время. Производительность измеряется в кг/ч, т/сут, т/год и т. д. Например, производительность современного агрегата синтеза аммиака составляет 1360 т аммиака в сутки; производительность агрегата по производству серной кислоты – 1 млн т серной кислоты в год и т. д. Иногда производительность оценивают по количеству переработанного сырья, например производительность печи обжига колчедана – 450 т колчедана в сутки. Если известны концентрация продукта в реакционной смеси, для определения производительности удобно воспользоваться следующей формулой:

где c R – концентрация продукта; v – объемный расход реакционной смеси.

Максимально возможная для данного агрегата, машины производительность (проектная) называется мощностью. Одним из основных направлений развития химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов, так как оно ведет к снижению удельных капитальных затрат, повышению производительности труда.

Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же процессы, используют понятие «интенсивность».

Интенсивностью называется производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, – его объему, площади поперечного сечения и т. д.

,

где V – объем аппарата. Интенсивность измеряется в кг/(ч · м 3 ), т/(сут · м 3 ) и т. д.

При разработке новых процессов или усовершенствовании существующих стремятся к созданию высокоинтенсивных аппаратов. Увеличение интенсивности аппарата часто возможно при создании таких условий проведения процесса, которые обеспечивают его протекание с высокой скоростью.

При анализе работы каталитических реакторов принято относить производительность аппарата в целом к единице объема или массы катализатора, загруженного в реактор. Такую величину, численно равную количеству продукта, полученного с единицы объема или массы катализатора, называют производительностью катализатора, или его напряженностью.

Вопросы и упражнения
для повторения и самостоятельной работы

1. Из каких основных стадий состоит химико-технологический процесс? В каких стадиях химико-технологического процесса участвуют химические реакции?

2. Что такое химический процесс? Почему химический процесс как единичный процесс химической технологии сложнее по сравнению с тепловыми и массообменными процессами?

3. Объясните взаимное влияние химической реакции и явлений тепло- и массопереноса на примерах:

а) сгорание в потоке воздуха частицы колчедана;

б) разложение фторапатита Ca 5 F(PO 4 ) 3 серной кислотой;

в) получение аммиачной селитры при взаимодействии газообразного аммиака с раствором азотной кислоты.

4. Какие технологические критерии эффективности химико-технологического процесса вы знаете? Дайте их определения.

5. Каковы пределы изменения степени превращения, выхода продукта, селективности?

6. Что означает выражение «реагенты взяты в стехиометрическом соотношении»?

7. Выведите уравнение связи между степенями превращения двух реагентов, вступающих в реакцию

аА + bВ rR + sS,

если известно, что для проведения реакции взято n А , 0 моль реагента А и n B , 0 моль реагента В.

8. В химической реакции участвуют два реагента А и В, причем на каждый моль реагента А взято по 2 моль реагента В. В каком случае будет справедливо утверждение, что степень превращения х А реагента А больше степени превращения х В реагента В?

9. В чем различия между действительной и равновесной степенями превращения реагента?

10. С какой целью при проведении химических процессов в промышленных условиях один из реагентов часто берут в избытке по отношению к стехиометрии реакции? Каковы пути использования реагента, взятого в избытке и не вступившего в реакцию?

11. Определите состав смеси (с А , с В , c R , c S ) и степень превращения jc b для реакции А + 2В 2R + S, если х А = 0,6, с А , 0 = 1 кмоль/м3,
с B ,0 = 1,5 кмоль/м3.

12. Выведите уравнение связи между выходом продукта и степенью превращения одного из реагентов для обратимой химической реакции, не сопровождающейся побочными взаимодействиями.

13. Рассчитайте выход продукта Р, если известно, что при проведении последовательных реакций

А + В Р + R,

Р + М S + Z

получено 12 моль продукта Р, 4 моль продукта S, а для проведения реакций было взято по 20 моль реагентов А и В.

14. В чем различие между полной (интегральной) и мгновенной (дифференциальной) селективностями?

15. Выведите уравнение взаимосвязи между выходом целевого продукта R, степенью превращения реагента А и полной селективностью φ при проведении двух необратимых последовательных реакций

А R (целевая реакция),

R S (побочная реакция).

16. Выведите уравнение взаимосвязи между выходом целевого продукта, степенью превращения реагента и полной селективностью при проведении параллельных обратимых реакций

а 1 А + b 1 В rR (целевая реакция),

a 2 А + b 2 B sS (побочная реакция).

17. Рассчитайте полную селективность, если при проведении последовательных реакций

A R + М (целевая реакция),

R S + N (побочная реакция)

получено 6 моль продукта R и 2,5 моль продукта S.

18. Протекают последовательные реакции А 2R и R 3S, целевым продуктом которых является вещество R. Определите выход продукта R, степень превращения х А и полную селективность φ, если известен конечный состав реакционной смеси: с А , f = 1 кмоль/м 3 , c R , f = 2 кмоль/м 3 , c S , f = 2 кмоль/м 3 .

19. Определите выход продукта R и степень превращения х А реагента А, если обратимая реакция А 2R протекает при условиях, когда равновесная степень превращения x A , е = 0,75, а отношение концентраций продукта и реагента после окончания реакции с R : с А = 1.

20. Протекают параллельные реакции

2А R,

А 3S.

Определите выход продукта R, степень превращения х А реагента А и полную селективность φ, если на выходе из реактора с А , f = 2 кмоль/м3, c R , f = 3 кмоль/м3, c S , f = 3,5 кмоль/м3.