В химическом уравнении характеризуют количественные соотношения

Закон сохранения массы веществ. Химические уравнения

В 1748 г. М. В. Ломоносов (Россия) и в 1789 г. А. Лавуазье (Франция) независимо друг от друга открыли закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Этот закон формулируется так:

Масса всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Запишем схему реакции горения метана СН₄ в кислороде О₂. В результате этой реакции образуются углекислый газ СО₂ и вода Н₂О:

По закону сохранения массы:

где m(СН₄) и m(О₂) — массы метана и кислорода, которые вступили в реакцию; m(СО₂) и m(Н₂О) — массы углекислого газа и воды, образовавшиеся в результате реакции.

Сохранение массы веществ в химических реакциях объясняется тем, что число атомов каждого элемента до и после реакции не изменяется. В ходе химической реакции происходит только перегруппировка атомов. В реакции, например, в молекулах исходных веществ — СН₄ и О₂ — атом углерода соединяется с атомами водорода, а атомы кислорода— друг с другом; в молекулах продуктов реакции — СО₂ и Н₂О — и атом углерода, и атомы водорода соединяются с атомами кислорода. Легко посчитать, что для сохранения числа атомов каждого элемента в данную реакцию должны вступать 1 молекула СН₄ и 2 молекулы О₂, а в результате реакции должны образоваться 1 молекула СО₂ и 2 молекулы Н₂О:

Данное выражение является уравнением химической реакции, или химическим уравнением.

Числа перед формулами веществ в уравнении реакции называются коэффициентами. В уравнении коэффициенты перед формулами О₂ и Н₂О равны 2; коэффициенты перед формулами СН₄ и СО₂ равны 1 (их обычно не записывают).

Химическое уравнение — это выражение химической реакции, в котором записаны формулы исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции, а также коэффициенты, показывающие число молекул каждого вещества.

Если известна схема реакции, то для составления химического уравнения нужно найти коэффициенты.

Составим, например, уравнение реакции, которая выражается следующей схемой:

В левой части схемы атомы водорода и хлора входят в состав молекулы HCl в соотношении 1 : 1; в правой части схемы содержатся 3 атома хлора в составе молекулы AlC1₃ и 2 атома водорода в составе молекулы Н₂. Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6.

Напишем коэффициент «6» перед формулой HCl, коэффициент «2» — перед формулой AlC1₃ и коэффициент «3» — перед формулой Н;

Так как теперь в правой части содержится 2 атома алюминия, напишем коэффициент «2» перед формулой Al в левой части схемы:

В результате мы получили уравнение данной реакции. Коэффициенты в химическом уравнении показывают не только число молекул, но и число молей исходных веществ и продуктов реакции. Например, это уравнение показывает, что в реакцию вступают 2 моля алюминия Аl и 6 молей хлороводорода HCl, а в результате реакции образуются 2 моля хлорида алюминия AlC1₃ и 3 моля водорода Н₂).

Расчёты по уравнениям химических реакций.

Стехиометрия – количественные соотношения между вступающими в реакцию веществами.

Если реагенты вступают в химическое взаимодействие в строго определенных количествах, а в результате реакции образуются вещества, количество которых можно расчитать, то такие реакции называются стехиометрическими.

Законы стехиометрии:

Коэффициенты в химических уравнениях перед формулами химических соединений называются стехиометрическими.

Все расчёты по химическим уравнениям основаны на использовании стехиометрических коэффициентов и связаны с нахождением количеств вещества (чисел молей).

Количество вещества в уравнении реакции (число молей) = коэффициенту перед соответствующей молекулой.

Моль – это такое количество вещества, в котором содержится определённое число частиц (молекул, атомов, ионов), равное постоянной Авогадро:

Выход реакции η – отношение реальной массы продукта m_p к теоретически возможной m_т, выраженное в долях единицы или в процентах.

Если в условии выход продуктов реакции не указан, то в расчетах его принимают равным 100% (количественный выход).

Схема расчёта по уравнениям химических реакций:

1. Составить уравнение химической реакции.
2. Над химическими формулами веществ написать известные и неизвестные величины с единицами измерения.
3. Под химическими формулами веществ с известными и неизвестными записать соответствующие значения этих величин, найденные по уравнению реакций.
4. Составить и решить пропорцию.

Пример. Вычислить массу и количество вещества оксида магния, образовавшегося при полном сгорании 24 г магния.

1. Составим уравнение химической реакции:

2. Под формулами веществ укажем количество вещества (число молей), которое соответствует стехиометрическим коэффициентам:

3. Определим молярную массу магния:

Относительная атомная масса магния Ar_(Mg) = 24.

Т.к. значение молярной массы равно относительной атомной или молекулярной массе, то M_(Mg) = 24 г/моль.

4. По массе вещества, заданной в условии, вычислим количество вещества:

5. Над химической формулой оксида магния MgO, масса которого неизвестна, ставим x моль, над формулой магния Mg пишем его молярную массу:

6. Составим пропорцию:

По правилам решения пропорции:

Количество оксида магния ν_(MgO) = 1 моль.

Занятие 3. Расчеты по уравнению реакции

Занятие 3. Расчеты по уравнению реакции.

Большая часть расчетных задач по химии связана с расчетами по уравнениям химических реакций. Для проведения таких расчетов надо знать

Количественные характеристики химической реакции.

Основной качественной и количественной характеристикой химической реакции является уравнение этой реакции:

Уравнение показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие получаются, а коэффициенты в этом уравнении показывают число структурных единиц этих веществ, а значит, коэффициенты показывают и определенное число моль для каждого вещества. И если какого то вещества взять больше или меньше, чем указано в уравнении, то, чтобы реакция прошла полностью, во столько же раз больше или меньше придется взять других веществ, во столько раз больше или меньше получится продуктов реакции. Соотношение между числом моль веществ останется прежним, зависящим от коэффициентов. Это соотношение можно выразить в виде следующей пропорции:

— количества вещества участников реакции пропорциональны их коэффициентам в уравнении реакции (стехиометрическим коэффициентам).

Эта пропорция позволяет, зная количество вещества одного из участников реакции, провести по уравнению реакции один или несколько расчетов, определяя количество вещества для других ее участников. Условно этот вид расчетов можно изобразить схемой 1.

Легкость таких расчетов обусловлена тем, что коэффициенты в уравнении реакции – целые, обычно небольшие числа. Во многих случаях нет необходимости и составлять пропорцию, можно сразу установить соотношение между порциями участников, проверяя себя словами «больше — меньше». Например, нам нужно установить количество вещества оксида фосфора(V) по количеству вещества сгоревшего фосфора: 4P + 5O2 = 2 P2O5

Задаем себе вопрос: «Количество вещества оксида больше или меньше количества вещества фосфора?» Отвечаем: — «Меньше, причем в два раза» и сразу записываем это в виде формулы n(P2O5) = n(P) / 2.

Понятно, что в сложных задачах может быть описано несколько превращений, что потребует расчетов по нескольким уравнениям реакций. Вот пример одной из таких задач:

Кислород, полученный при разложении 6 г перманганата калия с выходом 85%, был использован для сжигания этана. Полученные продукты поглотили избытком известковой воды. Чему равна масса полученного при этом осадка?

Анализ количественной стороны: В условии этой задачи встречается еще одна количественная характеристика: выход продукта (доля выхода). Это отношение реально (практически) полученной порции вещества к теоретически рассчитанной порции. При этом порция вещества может быть охарактеризована или массой, или объемом, или количеством вещества. По сути дела выход продукта – это коэффициент полезного действия химической реакции, и для его обозначения можно использовать букву η (эта). Как всякая доля, выход продукта – безразмерная величина меньше единицы, может быть представлена дробью или в процентном формате.

Анализ химической стороны задачи: В задаче идет речь о трех химических реакциях, следовательно, потребуется написать три уравнения реакции.

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 (1)

2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O (2)

Известковая вода – это водный раствор гидроксида кальция:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O (3)

M(KMnO4) =
= 159 г/моль

M(CaCO3) =
= 100 г/моль

План решения: Первый этап: находим количество вещества KMnO4. Второй: последовательно ведем расчет по уравнениям реакций, учитывая, для уравнения (2) надо найти практический выход кислорода. Последний этап, от количества вещества переходим к массе осадка.

Этот план решения можно представить такой схемой (волнистыми линиями обозначены уравнения реакций:

n(KMnO4) = m/М = 6/159 =
= 0,03774 моль

По уравнению (1): n(O2)т / n(KMnO4) = 1/2; n(O2)т = n(KMnO4)/2 =0,03774/2 =0,01887 моль;

n(O2)пр = n(O2)т*η(O2) = 0,01887*0,85 = 0,01604 моль;

По уравнению (2): n(CO2) /n(O2)пр = 4/7; n(CO2) =n(O2)пр*4/7 =0,01604*4/7 =0,009166 моль;

По уравнению (3): n(CaCO3) = n(CO2) = 0,009166 моль.

m(CaCO3) = n*M = 0,009166*100 = 0,9166 г ≈ 0,917* г

Осмысление: не слишком ли мало, взяли 6 г, а получили около 1 г? Учитывая, что выход