Вычисления по уравнениям реакций протекающих в растворах

Урок 14. Расчеты по уравнениям химических реакций

В уроке 14 «Расчеты по уравнениям химических реакций» из курса «Химия для чайников» мы научимся решать задачи, используя уравнения химических реакций.

Вещества вступают в химические реакции в определенных массовых и количественных соотношениях. Следовательно, при проведении реакций в лабораториях и на химических заводах расходуются определенные массы исходных веществ для получения заданной массы продуктов реакции.

Эти расчеты проводят по уравнениям реакций. Единицы величин, которыми пользуются в химии, представлены в таблице 6.

При проведении любого вычисления по уравнению реакции нужно внимательно прочитать условие задачи. Особое в нимание обратите на расстановку коэффициентов, так как соотношение числа структурных единиц реагирующих веществ и получающихся продуктов реакции выражается в уравнениях коэффициентами так же, как и мольные отношения.

Для решения расчетной задачи необходим определенный порядок действий. Рассмотрим его на нескольких примерах.

Пример 1. Железо масс о й 224 г полностью прореагировало с хлором. Рассчитайте массу образовавшегося вещества FeCl₃.

Выполнение заданий высокого уровня сложности

При обучении школьников способам решения задач очень большое значение придаю применению алгоритмов. Я считаю, что вначале нужно уверенно овладеть небольшим числом стандартных приемов, получить представление о возможных типах задач. Это позволит ученику выйти на творческий уровень в своем дальнейшем химическом образовании и самообразовании.

Одно из заданий высокого уровня сложности (оно входит в третью часть экзаменационной работы – задание С4) проверяет умение производить расчеты по уравнениям реакций, происходящих в растворах.

В учебной литературе недостаточно подробно объясняются особенности решения таких задач. Поэтому мы с учениками вначале разбираем все моменты, на которые нужно обратить внимание, записываем алгоритмы в общем виде, рассматриваем решение задач каждого типа, затем отрабатываем умения на самостоятельном решении целого ряда подобных задач.

Прежде всего ученик должен усвоить понятие о массовой доле растворенного вещества, или, иначе, процентной концентрации раствора. Эта величина показывает отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

_р.в-во = m_р.в-во / m_р-р.

m_р.в-во = m_р-р•_р.в-во,

m_р-р = m_р.в-во / _р.в-во.

Если в условии задачи указан объем раствора с определенной плотностью, то прежде всего находят массу раствора:

m_р-р = V_р-р•_р-р,

затем – массу растворенного вещества:

m_р.в-во = m_р-р•_р.в-во.

Количество вещества находят по массе растворенного вещества:

= m_р.в-во / М.

Рассмотрим некоторые типы задач с расчетами по уравнениям реакций, происходящих в растворах.

• Нахождение массовых долей веществ в растворе после реакции.

При решении таких задач прежде всего нужно найти количества вещества реагентов. Если задача на избыток и недостаток, то количества вещества продуктов реакции находят по веществу, которое дано в недостатке.

Один из важных моментов – это нахождение массы раствора после реакции (массы полученного раствора, m_{р-р получ}). Если какое-либо вещество взаимодействует с веществом, находящимся в растворе, то складывают массу вещества и массу раствора; в случае, когда оба реагирующих вещества даны в виде растворов, складывают массы двух растворов. Если в результате реакции образуется осадок или газ, то из полученной суммы вычитают массу вещества, ушедшего из раствора в виде осадка или газа:

При решении задач на избыток и недостаток нужно помнить о том, что в растворе после реакции будет находиться в растворенном виде не только продукт реакции, но и вещество, которое было дано в избытке.

Чтобы найти количество вещества, которое не прореагировало – избытка, нужно от исходного количества вещества отнять количество прореагировавшего вещества:

_изб = _исх – _прор.

Затем найти его массу и массовую долю в растворе, полученном после реакции.

Задача 1. 4,8 г магния растворили в 200 мл 12%-го раствора серной кислоты ( = 1,05 г/мл). Найти массовую долю соли в полученном растворе.

_р-р(H₂SO₄) = 1,05 г/мл,

_р.в-во(H₂SO₄) = 12 %.Найти: _р.в-во(MgSO₄ ).

(Мg) = m / M = 4,8 (г) / 24 (г/моль) = 0,2 моль.

m_р-р(H₂SO₄) = V_р-р• = 200 (мл)•1,05 (г/мл) = 210 г.

m_р.в-во(H₂SO₄) = m_р-р•_р.в-во = 210•0,12 = 25,2 г.

_р.в-во(H₂SO₄) = m/M = 25,2 (г) / 98 (г/моль) = 0,26 моль.

В недостатке – Mg. Следовательно:

(MgSO₄) = 0,2 моль,

(H₂) = 0,2 моль.

m_р.в-во(MgSO₄) = M• = 120 (г/моль)•0,2 (моль) = 24 г.

m(H₂) = M• = 2 (г/моль)•0,2 (моль) = 0,4 г.

_р.в-во(MgSO₄) = m_р.в-во(MgSO₄) / m_{р-р получ} = 24 (г) / 214,4 (г) = 0,112, или 11,2 %.

О т в е т. _р.в-во(MgSO₄) = 11,2 %.

Задача 2. Смешали 250 г раствора сульфата железа(III) с концентрацией 8 % и 50 г раствора гидроксида натрия с концентрацией 30 %. Найти концентрацию веществ в получившемся растворе.

_р.в-во(Fe₂(SO₄)₃) = 8 %,

_р.в-во(NaOH) = 30 %.Найти: _{р.в-во получ}.

m_р.в-во(Fe₂(SO₄)₃) = m_р-р•_р.в-во = 250 (г)•0,08 = 20 г.

(Fe₂(SO₄)₃) = m/M = 20 (г) / 400 (г/моль) = 0,05 моль.

m_р.в-во(NaOH) = m_р-р•_р.в-во = 50 (г)•0,3 = 15 г.

(NaOH) = m/M = 15 (г) / 40 (г/моль) = 0,375 моль.

(Na₂SO₄) = 0,05 (моль)•3 = 0,15 моль.

(Fe(OH)₃) = 0,05 (моль)•2 = 0,1 моль.

_прор(NaOH) = 0,05 (моль)•6 = 0,3 моль.

_изб(NaOH) = _исх – _прор = 0,375 (моль) – 0,3 (моль) = 0,075 моль.

m(NaOH) = M• = 40 (г/моль)•0,075 (моль) = 3 г.

m(Na₂SO₄) = M• = 142 (г/моль)•0,15 (моль) = 21,3 г.

m(Fe(OH)₃) = M• = 107 (г/моль)•0,1 (моль) = 10,7 г.

_р.в-ва(Na₂SO₄) = m / m_р-р = 21,3 (г) / 289,3 (г) = 0,074, или 7,4 %.

_р.в-ва(NaOH) = m / m_р-р = 3 (г) / 289,3 (г) = 0,01, или 1 %.

О т в е т. _р.в-во(Na₂SO₄) = 7,4 %, _р.в-во(NaOH) = 1 %.

Задача 3. Карбонат кальция массой 10 г растворили при нагревании в 150 мл хлороводородной кислоты ( = 1,04 г/мл) с массовой долей 9 %. Какова массовая доля хлороводорода в получившемся растворе?

О т в е т. _р.в-во(HCl) = 4,2 %.

Задача 4. 5,6 г железа растворили в 100 мл 10%-го раствора соляной кислоты ( = 1,05 г/мл). Вычислить массовую долю хлороводорода в полученном растворе.

О т в е т. _р.в-во(HCl) = 2,9 %.

Задача 5. 5,6 г железа растворили в 200 мл раствора соляной кислоты ( = 1,05 г/мл) с массовой долей 10 %. Найти массовую долю соли в полученном растворе.

О т в е т. _р.в-во(FeCl₂) = 5,9 %.

Задача 6. Смешали 110,4 г раствора карбоната калия с концентрацией 25 % и 111 г раствора хлорида кальция с концентрацией 20 %. Найти концентрацию вещества в полученном растворе.

О т в е т. _р.в-во(KCl) = 14,8 %.

Задача 7. Смешали 320 г раствора сульфата меди(II) с концентрацией 5 % и 120 г раствора гидроксида натрия с концентрацией 10 %. Найти концентрации веществ в полученном растворе.

О т в е т. _р.в-во(Na₂SO₄) = 3,3 %, _р.в-во(NaOH) = 0,9 %.

• Более сложными являются задачи на нахождение массы (или объема) вещества, которое нужно добавить к раствору другого вещества для того, чтобы его концентрация изменилась в результате произошедшей реакции.

В этом случае алгоритм решения следующий:

1) нужно обозначить за x количество добавленного вещества – реагента;

2) выразить через х количества прореагировавшего с реагентом вещества и полученного в результате реакции газа или осадка;

3) найти количество растворенного вещества в исходном растворе и его количество, оставшееся после реакции (_оставш = ₁ – _прор);

4) выразить через х массу оставшегося в растворе вещества;

5) найти массу раствора, полученного после реакции:

6) все данные подставить в формулу:

_р.в-во2 = m_оставш / m_{р-р получ}.

7) найти количество вещества реагента, его массу или объем.

Задача 8. Найти массу карбоната кальция, которую следует добавить к 600 г раствора азотной кислоты с массовой долей 31,5 %, чтобы массовая доля кислоты уменьшилась до 10,5 %.

_р.в-во1(HNO₃) = 31,5 %,

_р.в-во2 (HNO₃) = 10,5 %.Найти: m(CaCO₃).

(СаСО₃) = х моль; (HNO₃)_прор = 2х моль;

(СО₂) = х моль, m(CO₂) = 44x г;

m(CaCO₃) = M• = 100 (г/моль)•х (моль) = 100х г;

m_р.в-во1(HNO₃) = m_р-р1•_р.в-во1 = 600 (г)•0,315 = 189 г;

₁(HNO₃) = m _р.в-во /М = 189 (г) / 63 (г/моль) = 3 моль,

_оставш(HNO₃) = ₁ – _прор = 3 – 2х моль,

m_оставш(HNO₃) = М• = 63 (г/моль)•(3 – 2х) = (189 – 126х) г;

_р.в-во2(HNO₃) = m_оставш(HNO₃) / m_{р-р получ}.

0,105 = (189 – 126х) / (600 + 56х),

х = 0,955 моль, (СаСО₃) = 0,955 моль,

m(CaCO₃) = M• = 100 (г/моль)•0,955 (моль) = 95,5 г.

О т в е т. m(CaCO₃) = 95,5 г.

Задача 9. Найти массу кристаллогидрата CaCl₂•6H₂O, которую необходимо добавить к 47 мл 25%-го раствора карбоната натрия ( = 1,08 г/мл), чтобы получить раствор, в котором массовая доля карбоната натрия составила бы 10 %.

_р-р1(Na₂CO₃) = 1,08 г/мл,

_р.в-во1(Na₂CO₃) = 25 %,

_р.в-во2(Na₂CO₃) = 10 %.

Найти: m(CaCl₂•6H₂O).

(СaCl₂•6H₂O) = x моль, (CaCl₂) = x моль,

_прор(Na₂CO₃) = х моль, (СаСО₃) = х моль;

m(CaCl₂•6H₂O) = M• = 219 (г/моль)•х (моль) = 219х г;

m(CaCO₃) = M• = 100x г;

m_р-р1(Na₂CO₃) = V_р-р1•_р-р1 = 47 (мл)• 1,08 (г/мл) = 50,76 г,

m_р.в-во1(Na₂CO₃) = m_р-р1• _р.в-во1 = 50,76 (г)•0,25 = 12,69 г,

₁(Na₂CO₃) = m_р.в-во1 / M = 12,69 (г) / 106 (г/моль) = 0,12 моль,

_оставш(Na₂CO₃) = ₁ – _прор = 0,12 – х,

m_оставш(Na₂CO₃) = M• = 106(0,12 – x) = 12,69 – 106x;

219x + 50,76 – 100x = 50,76 + 119x,

_р.в-во2 = m_оставш(Na₂CO₃) / m_{р-р получ},

0,1 = 12,69 – 106х / 50,76 + 119х,

m(CaCl₂•6H₂O) = М• = 219 (г/моль)•0,0646 (моль) = 14,14 г.

Задача 10. Какой объем 30%-го раствора аммиака ( = 0,892 г/мл) необходимо добавить к 200 мл 40%-го раствора соляной кислоты ( = 1,198 г/мл), чтобы массовая доля кислоты уменьшилась вчетверо?

Задача 11. Какой объем углекислого газа нужно добавить к 100 мл 20%-го раствора гидроксида натрия ( = 4,1 г/мл), чтобы массовая доля гидроксида натрия уменьшилась вдвое?

Задача 12. Найти объем раствора соляной кислоты ( = 1,05 г/мл) с массовой долей 10 %, который нужно добавить к 350 г раствора гидроксида калия с массовой долей 10,5 %, чтобы концентрация щелочи составила 3 %.

О т в е т. V_р-р(HCl) = 135,6 мл.

• Внимание: растворенное вещество – реагент!

При решении задач на растворы нужно помнить о том, что при обычных условиях с водой реагируют следующие вещества:

1) щелочные и щелочно-земельные металлы, например:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂;

2) оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, например:

3) оксиды неметаллов, например:

4) многие бинарные соединения – гидриды, карбиды, нитриды и другие, например:

KН + Н₂О = KОН + Н₂.

Растворение вещества-реагента в воде.

Растворенным веществом в данном случае будет продукт взаимодействия вещества-реагента с водой. Масса раствора будет складываться из массы реагента и массы воды:

Если в результате реакции выделился газ, то

Задача 13. В каком объеме воды нужно растворить 11,2 л оксида серы(IV), чтобы получить раствор сернистой кислоты с массовой долей 1 %?

_р.в-во(H₂SO₃) = 1 %.Найти: V(H₂O).

(SO₂) = V / V_M = 11,2 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,5 моль, следовательно, (H₂SO₃) = 0,5 моль.

m_р.в-во(H₂SO₃) = M• = 82 (г/моль)•0,5 (моль) = 41 г,

m_р-р(H₂SO₃) = m_р.в-во(H₂SO₃) / _р.в-во(H₂SO₃) = 41 (г) / 0,01 = 4100 г;

m(SO₂) = M• = 64 (г/моль)•0,5 (моль) = 32 г,

m(H₂O) = 4100 (г) – 32 (г) = 4068 г,

V(H₂O) = m/ = 4068 (г) / 1 (г/мл) = 4068 мл, или 4 л 68 мл.

О т в е т. V(H₂O) = 4068 мл.

Задачи, в которых неизвестна масса вещества-реагента, необходимого для образования раствора с определенной концентрацией.

Алгоритм решения следующий:

1) принять количество растворенного реагента за х моль;

2) согласно уравнению реакции выразить через х количества продуктов реакции;

3) найти через х массы реагента и продуктов реакции;

4) найти массу раствора;

5) подставить все данные в формулу для расчета массовой доли вещества в растворе:

_р.в-во(продукт) = m_р.в-во(продукт) / m_р-р.

Задача 14. Найти массу гидрида лития, которую нужно растворить в 100 мл воды, чтобы получить раствор с массовой долей гидроксида лития 5 %.

_р.в-во(LiOH) = 5 %.Найти: m(LiH).

Пусть (LiH) = x моль,

тогда (LiOH) = x моль, (Н₂) = х моль.

m(LiH) = M• = 8 (г/моль)•х (моль) = 8х (г),

m(LiOH) = M• = 24 (г/моль)•х (моль) = 24х г,

m(H₂) = M• = 2 (г/моль)•х = 2х г.

m(H₂O) = V• = 100 (мл)•1 (г/мл) = 100 г.

_р.в-во(LiOH) = m_р.в-во(LiOH) / m_р-р,

х = 0,21, (LiH) = 0,21 моль.

m(LiH) = M• = 8 (г/моль)•0,21 (моль) = 1,7 г.

О т в е т. m(LiH) = 1,7 г.

Растворение вещества-реагента в растворе.

В этом случае растворяемое вещество реагирует с водой, которая присутствует в растворе. Масса растворенного вещества во втором растворе складывается из массы вещества в первом растворе и массы вещества – продукта реакции:

m_р.в-во1 = m_р-р1•_р.в-во1,

_р.в-во2 = m_р.в-во2 / m_р-р2.

Задача 15. К 200 г 10%-го раствора ортофосфорной кислоты добавили 28,4 г фосфорного ангидрида. Найти массовую долю кислоты в получившемся растворе.

_р.в-во1(Н₃РО₄) = 10 %,

m(P₂O₅) = 28,4 г.Найти: _р.в-во2(Н₃РО₄).

(P₂O₅) = m / M = 28,4 (г) / 142 (г/моль) = 0,2 моль,

_прод(Н₃РО₄) = 0,2 (моль)•2 = 0,4 моль.

m_прод(Н₃РО₄) = М• = 98 (г/моль)•0,4 (моль) = 39,2 г,

m_р.в-во1(Н₃РО₄) = m_р-р1•_р.в-во1 = 200 (г) •0,1 = 20 г,

_р.в-во2(Н₃РО₄) = m_р.в-во2(Н₃РО₄) / m_р-р2(Н₃РО₄) = 59,2 (г) / 228,4 (г) = 0,2592, или 25,92 %.

О т в е т: (Н₃РО₄) = 25,92 %.

Задача 16. Найти массу фосфорного ангидрида, которую необходимо добавить к 70 г 10%-го раствора ортофосфорной кислоты, чтобы получить 40%-й раствор.

_р.в-во1(Н₃РО₄) = 10 %,

_р.в-во2(Н₃РО₄) = 40 %.Найти: m(P₂O₅).

Пусть (Р₂О₅) = х моль,

тогда (Н₃РО₄) = 2х моль.

m_прод(Н₃РО₄) = М• = 98 (г/моль)•2х (моль) = 196х г.

m_реаг(Р₂О₅) = М• = 142 (г/моль)•х (моль) = 142х г,

m_р.в-во1(Н₃РО₄) = m_р-р1•_р.в-во1 = 70 (г)• 0,1 = 7 г,

_р.в-во2(Н₃РО₄) = m_р.в-во2(Н₃РО₄) / m_р-р2(Н₃РО₄),

х = 0,15, (Р₂О₅) = 0,15 моль.

m(P₂O₅) = M• = 142 (г/моль)•0,15 (моль) = 21,3 г.

Задача 17. В 240 мл воды опустили 69 г натрия. Найти массовую долю продукта в растворе.

О т в е т. _прод = 39,2 %.

Задача 18. Найти массовую долю кислоты в растворе, полученном при растворении 33,6 л сернистого газа в 320 г 5%-го раствора сернистой кислоты.

О т в е т. _р.в-во2(Н₂SО₃) = 33,4 %.

Задача 19. Какую массу оксида серы(VI) нужно растворить в 150 мл воды, чтобы получить 60%-й раствор серной кислоты?

Задача 20. Найти массу оксида серы(VI), которую необходимо растворить в 99 г 40%-й серной кислоты, чтобы получить 80%-й раствор.

Задача 21. Какую массу оксида фосфора(V) нужно растворить в 120 г воды, чтобы получить 40%-й раствор ортофосфорной кислоты?

Задача 22. К 180 г 50%-го раствора ортофосфорной кислоты добавили 42,6 г оксида фосфора(V). Найти массовую долю кислоты в полученном растворе.

О т в е т. _р.в-во2(Н₃РО₄) = 66,8 %.

Задача 23. В 20 г воды растворили 3,5 г оксида натрия. Вычислите массовую долю растворенного вещества.

О т в е т. (NaOH) = 19,2 %.

Задача 24. К 120 г 8%-го раствора гидроксида натрия добавили 18,6 г оксида натрия. Вычислите массовую долю гидроксида натрия в образовавшемся растворе.

О т в е т. _р.в-во(NaOH) = 24,2 %.

Задача 25. Найти массу оксида серы(VI), которую нужно добавить к 2 л 8%-го раствора серной кислоты ( = 1,06 г/мл), чтобы массовая доля серной кислоты стала равной 20 %.

Задача 26. Какую массу фосфора необходимо сжечь в кислороде, чтобы, растворив полученный оксид в 1000 г раствора ортофосфорной кислоты с массовой долей 50 %, получить раствор этой кислоты с массовой долей 75 %?

О т в е т. m(P) = 173,2 г.

Задача 27. Какую массу натрия необходимо растворить в 120 мл воды для получения раствора щелочи с массовой долей 18 %?

Урок химии 10 класса на тему «Вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Тема: Вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах

Цель: формировать умение решать расчетные задачи по уравнениям реакций, протекающих в растворах.

-создать условия для закрепления и развития умений решения расчетных задач изученных типов ;

-совершенствовать умения записывать уравнения химических реакций, решать цепочки химических превращений;

— обобщение и систематизация изученного материала по темам «Спирты. Альдегиды. Фенолы. Карбоновые кислоты»

-содействовать формированию коммуникативных навыков и развитию познавательного интереса к возможностям практического применения знаний

Тип урока : комбинированный

Приветствие, проверка готовности к уроку

2.Проверка домашнего задания (устный опрос у доски)

3.Целеполагание и актуализация знаний:

-Объявление темы и постановка цели урока;

-вспомните формулы, которые использовались вами при решении расчетных задач по теме «растворы» (запись формул на доске, их фронтальное обсуждение)

4.Этап формирования умений решения расчетных задач (самостоятельная групповая работа по решению практико-ориентированных задач)

№1. Этиленгликоль хорошо растворяется в воде, при этом он сильно понижает температуру замерзания воды (60%-й раствор этиленгликоля понижает температуру замерзания до -49 0 С), что позволяет использовать его в качестве жидкости для очистки стекол автомобилей. Определите, какие массы этиленгликоля и воды понадобятся для приготовления 8кг данного раствора. Чему будет равна молярная концентрация этого раствора, если его плотность составляет 1,004г/см 3

№2 . Многие считают, что небольшие количества алкоголя не вредят. Но это не так. Поскольку этанол легко растворяется в воде, он сразу же поглощается пищеварительными органами и разносится кровью по всему телу (в том числе и в ткани мозга). Около 90% этанола задерживается в печени. Определите, какое количество этанола можно получить при сбраживании 20кг 70% раствора глюкозы.

№3 .Раствор с массовой долей тринитроглицерина 1% используется в медицине в качестве средства для расширения сосудов сердца. Определите, какие массы глицерина и азотной кислоты понадобятся для получения 500г этого раствора.

№4 .Динамит—это взрывчатая смесь тринитроглицерина с кизельгуром, была изобретена шведским химиком А.Нобелем. Динамит взрывается с выделением большого количества газов, вызывающих сильную ударную волну, и большого количества теплоты. Определите массу тринитроглицерина, которую можно получить из 2т 60% раствора глицерина, если выход продукта составляет 98%.

№5. При уксуснокислом брожении этанола под действием ферментов образуется уксусная кислота, которая затем используется в пищевых целях (столовый уксус—9%-й раствор уксусной кислоты в воде). Рассчитайте, какую массу уксусной кислоты можно получить из 0,5кг раствора с массовой долей этанола 70%, если выход продукта реакции равен 85%.

5.Обобщение и систематизация (групповая работа)

Выполнение задания №2

6.Домашнее задание: §36, №1,3

7.Подведение итогов. Рефлексия

Тема: Вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах

источники:

http://him.1sept.ru/article.php?ID=200901806

http://infourok.ru/urok-himii-10-klassa-na-temu-vychisleniya-po-uravneniyam-reakcij-protekayushih-v-rastvorah-5797339.html