3. Расчеты по схемам химических реакций

Схема химической реакции отражает ее качественную сторону и в ней указывают лишь химические формулы исходных веществ и продуктов реакции. Тем не менее схемы необратимых (идущих до конца) реакций, например, реакций разложения и сжигания, можно использовать для стехиометрических расчетов, учтя, что атомы, в отличие от молекул, являются химически неделимыми частицами и в ходе химической реакции количество и масса атомов каждого элемента сохраняется. Следствием этого положения является закон сохранения массы веществ в необратимой химической реакции: масса веществ, взятых для реакции, равна массе продуктов реакции плюс масса остатка вещества, взятого в избытке.

Таким образом, все вычисления по схеме реакции основаны на составлении уравнений материального баланса по количеству вещества или массе каждого элемента с последующим использованием соотношений, связывающих количество данных атомов с количеством вещества реагентов и продуктов реакции, в составе которых они находятся (см. расчеты по химическим формулам веществ).

Методику расчетов по схемам реакций обычно используют при решении задач на установление индексов в химической формуле исходного вещества по данным о продуктах его сжигания или разложения (см. пример 1). Кроме того, используя закон сохранения количества атомов данного элемента, можно значительно упростить решение задач, где речь идет о расчетах по цепочкам химических реакций, когда продукт одной реакции является исходным веществом для другой (см. пример 2).

Пример 1.Схема сжигания некоторого органического веществаC_xH_yO_zN_kCl_n(обозначим его для краткостиL) в избытке кислорода имеет вид:

C_xH_yO_zN_kCl_n+O₂(избыток)CO₂+H₂O+N₂+HCl+O₂(остаток)

Индексы в простейшей химической формуле сожженного вещества могут быть определены на основе следующих уравнений материального баланса:

– закон сохранения массы:

m(L)+m(O₂/исх) =m(CO₂) +m(H₂O)+m(N₂)+m(HCl)+m(O₂/ост)

– уравнения баланса по количеству атомов:

а) по атомам С: (C/L)=(C/CO₂)=(CO₂)

б) по атомам Н: (H/L)=(H/H₂O)+(H/HCl)=2(H₂O)+(HCl)

в) по атомам N:(N/L)=(N/N₂)=2(N₂)

г) по атомам Cl:(Cl/L)=(Cl/HCl)=(HCl)

д) по атомам О:

(O/L)+(O/O₂исх)=(O/CO₂)+(O/H₂O)+(O/O₂ост)

или (O/L)=2(CO₂)+(H₂O)+2(O₂ост)-2(O₂исх),

но если известна масса исходного вещества L, то расчет упрощается:

Необходимые для расчета количества вещества продуктов реакцииCO₂,H₂O,N₂иHClопределяют обычным образом из условия задачи и далее находят индексы в простейшей формуле исходного вещества:

x : y : z : k : n = (C) : (H) : (O) : (N) : (Cl)

Пример 2.Какое предельное количество серной кислоты можно получить из заданной массыm₀пирита, содержащегоа % примесей. Считать выход продуктов реакции на каждой стадии процесса за 100%.

Цепочка превращений имеет вид:

FeS₂ + O₂  Fe₂O₃ + SO₂

SO₂ + O₂  SO₃

SO₃+H₂OH₂SO₄

и, если на всех стадиях процесса нет технологических потерь, то все атомы серы из FeS₂перешли вH₂SO₄:

(S/FeS₂) = (S/H₂SO₄) или 2(FeS₂) = (H₂SO₄)

или ,

где m₀– масса исходной руды, г.