3.6. Расчеты по уравнениям реакций

Расчеты, связанные с уравнениями реакций, называются стехиометрическими. Они основаны на законе сохранения массы веществ и позволяют решать следующие задачи:

• вычислить массу (объем, количество вещества) продуктов реакции по массе (объему, количеству вещества) одного из реагирующих веществ или двух (задачи на "избыток" и "недостаток"),

• определить массовые (объемные) доли примесей в исходном веществе,

• рассчитать массовую (объемную) долю выхода продукта,

• выполнить расчеты с учетом концентраций веществ.

Стехиометрические расчеты используются также для решения задач, обратных вышеперечисленным.

В расчетах по уравнениям реакций важно уметь правильно расставить стехиометрические коэффициенты. Для уравнивания реакций можно использовать прикладную программу, составленную студентом химического факультета Самарского госуниверситета А.Скугаревым.

Вид рабочего окна этой программы:

Эта программа на данном web-сайте не размещена. Ее можно найти в интерактивном компьютерном учебнике на CD ROM (см. описание учебного комплекса

3.6.1. Расчет массы (объема, количества) продуктов реакции по массе (объему, количеству вещества) исходных веществ и обратные вычисления

Задача. Какую массу углекислого газа можно получить, если сжечь 3,2 г метана? Определите объем, который займет углекислый газ, образовавшийся в этой реакции при нормальных условиях.

Краткие условия в данном случае целесообразно записать, учитывая уравнение реакции сгорания метана, следующим образом:

Решение

1. Находим количество вещества метана, вступившего в реакцию:

2. Количество углекислого газа согласно уравнению реакции равно количеству метана:

(CO₂) =  (CH₄) = 0,2 моль

3. Определяем массу CO₂:

m(CO₂) =  (CO₂)  M(CO₂) = 0,2 моль  44 г/моль = 8,8 г

Ответ: m(CO₂) = 8,8 г

3.6.2. Расчет массы (объема, количества) продуктов реакции при условии, что одно из реагирующих веществ взято в избытке

Задача. Какой объем метана (н.у.) выделится при взаимодействии 10 г карбида алюминия (Al₄C₃) с 10 г воды ?

Краткие условия:

Решение

1. Находим количества вступивших в реакцию веществ:

Так как на 1 моль Al₄C₃ требуется в 12 раз большее количество вещества воды, то на 0,069 моль Al₄C₃ необходимо 0,828 моль воды. Следовательно, 0,55 моль воды недостаточно для реакции с 0,069 моль Al₄C₃, который взят в избытке и прореагирует неполностью.

2. Определим  (CH₄) по веществу, взятому в недостатке:

3. Рассчитаем объем метана, образовавшегося в реакции:

V(CH₄) =  (CH₄)  V_m = 0,137 моль  22,4 л/моль = 3,07 л

Ответ: V(CH₄) = 3,07 л

3.6.3. Расчет массы, объема и количества исходных веществ или продуктов реакции с учетом примесей

Задача. Определить массу образца технического углерода, содержащего 3% примесей, необходимого для получения 67,2 л (н.у.) метана.

3.6.4. Расчет массы, объема и количества исходных веществ или продуктов реакции с учетом концентрации их в растворе (смеси)

Задача. Сколько грамм бромной воды с массовой долей брома 3,2% потребуется для реакции с 10 л смеси этана и этилена, в которой объемная доля этилена равна 28%?

3.6.5. Расчет массы, объема и количества веществ с учетом выхода продукта реакции

Задача. Бензол количеством вещества 0,5 моль прореагировал с избытком брома (в присутствии катализатора). При этом получили бромбензол массой 70 г. Определите массовую долю выхода бромбензола.

3.7. Задачи повышенной трудности

На олимпиадах и вступительных экзаменах в вузы предлагаются более сложные задачи, чем рассмотренные нами ранее. Обычно в них сочетаются различные типы расчетов – как по формулам веществ, так и по уравнениям реакций. Решение таких задач требует не только глубоких знаний химии, но и развитого логического мышления, владения алгебраическим аппаратом (системы уравнений с несколькими неизвестными, неравенства, степенные и логарифмические функции и т.п.).

Рассмотрим решение одной из олимпиадных задач (г.Самара).

Задача. При дегидрировании смеси циклогексана и циклогексена в бензол выделился водород массой, достаточной для полного восстановления 36,9 г нитробензола в анилин. Найти %-ный (по массе) состав исходной смеси, если известно, что такая же масса этой смеси может обесцветить 480 г 10%-ного раствора брома в CCl₄.

1. Определим m(Br₂) в растворе СCl₄:

m(Br₂) = m(раствора)  (Br₂) = 480 г  0,1 = 48 г

2. Из углеводородов исходной смеси с Br₂ реагирует только циклогексен С₆Н₁₀, являющийся ненасыщенным соединением.

По уравнению этой реакции рассчитаем массу С₆Н₁₀.

 (С₆Н₁₀) =  (Br₂) = 0,3 моль

m(C₆Н₁₀) =  (С₆ Н₁₀)  M(С₆ Н₁₀) = 0,3 моль  82 г/ моль = 24,6 г

3. Рассчитаем количество вещества Н₂, использованного на восстановление нитробензола:

 (Н₂) = 3 (С₆Н₅NO₂) = 0,9 моль

4. Массу циклогексана рассчитаем из уравнений реакций дегидрирования углеводородов.

Из уравнения (2) следует, что x =  (H₂) = 0,6 моль.

Тогда количество водорода, выделившегося в реакции (1) равно:

 (Н₂) = 0,9 моль – 0,6 моль = 0,3 моль.

m(C₆H₁₂) =  (C₆H₁₂)  M(C₆H₁₂) = 0,1 моль  84 г/моль = 8,4 г

5. Определим массу исходной смеси углеводоров:

m(смеси) = m(C₆H₁₂) + m(C₆H₁₀) = 8,4 г + 24,6 г = 33,0 г

6. Рассчитаем массовые доли углеводородов в исходной смеси:

Ответ:  (С₆Н₁₀) = 0,745 (74,5%)              (С₆Н₁₂) = 0,255 (25,5%)

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ Примечание: знаком * отмечены задачи повышенной трудности. Калькулятор

1. Какое количество вещества составляет 92 г этанола С₂Н₅ОН? Ответ 1 : 1 моль Ответ 2 : 2 моль Ответ 3 : 2.5 моль Ответ 4 : 1.5 моль

2. Определите массу глюкозы, содержащей 0,6 моль атомного углерода. Ответ 1 : 3,6 г Ответ 2 : 7,2 г Ответ 3 : 14,4 г Ответ 4 : 18 г

3. Определите массовую долю кислорода (в %) в метиловом спирте, состав которого выражен формулой СН₃ОН. Ответ 1 : 50 Ответ 2 : 25 Ответ 3 : 15 Ответ 4 : 10

4. Какой объем водорода (н.у.) может присоединить смесь газов массой 15,4 г, которая содержит этилен ( = 54,5%), пропилен ( = 27,3%) и бутилен ( = 18,2%). Ответ 1 : 5 л Ответ 2 : 10 л Ответ 3 : 15 л Ответ 4 : 20 л

5. Природный газ одного из месторождений содержит метан ( = 92%), этан ( = 3%), пропан ( = 1,6%), бутан ( = 0,4%), азот ( = 2%), другие газы ( = 1%). Определите массу органических веществ, входящих в состав 20 л (н.у.) природного газа. Ответ 1 : 5,3 г Ответ 2 : 10,1 г Ответ 3 : 14,8 г Ответ 4 : 20,2 г

6. При сгорании алкана массой 3,6 г образуется оксид углерода (IV) объемом 5,6 л (н.у). Плотность алкана по водороду равна 36. Установите молекулярную формулу алкана. Ответ 1 : С₂Н₆ Ответ 2 : С₃Н₈ Ответ 3 : С₄Н₁₀ Ответ 4 : С₅Н₁₂

7. Вывести молекулярную формулу вещества, если оно содержит С ( = 39,97%), Н ( = 6,73%) и О ( = 53,3%) и 300 мл паров этого вещества (н.у.) имеют массу, равную 2,41 г. Ответ 1 : С₁₂Н₂₂О₁₁ Ответ 2 : С₆Н₁₂О₆ Ответ 3 : С₂Н₆О Ответ 4 : С₃Н₈О

8. Сколько г хлора потребуется для превращения 19 г бензола С₆Н₆ в гексахлоран С₆Н₆Сl₆ ? Ответ 1 : 10,3 г Ответ 2 : 32,4 г Ответ 3 : 51,9 г Ответ 4 : 68,1 г

9. При нагревании иодметана СH₃I массой 2,84 г с металлическим натрием массой 0,69 г получили этан С₂Н₆ объемом 179,2 мл при н.у. Определите объемную долю выхода продукта реакции. Ответ 1 : 60% Ответ 2 : 70% Ответ 3 : 80% Ответ 4 : 90%

10. Сколько граммов 80% - го технического карбида кальция CaC₂ потребуется для получения 2,8 л ацетилена при н.у.? Ответ 1 : 10 г Ответ 2 : 20 г Ответ 3 : 30 г Ответ 4 : 40 г

11. Сколько граммов толуола С₇Н₈ потребуется для получения 113,5 г тринитротолуола С₇Н₅(NO₂)₃, если массовая доля выхода продукта составляет 80% от теоретически возможного? Ответ 1 : 35,4 г Ответ 2 : 64,3 г Ответ 3 : 81,2 г Ответ 4 : 93,4 г

12. Какую массу бромной воды с массовой доле брома 1,6% может обесцветить пропилен объемом 1,12 л (н.у.)? Ответ 1 : 200 г Ответ 2 : 300 г Ответ 3 : 400 г Ответ 4 : 500 г

13. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 30 л ацетилена С₂Н₂ (н.у.), содержащего 5% негорючих примесей? Содержание кислорода в воздухе считать равным 20% по объему. Ответ 1 : 356,25 л Ответ 2 : 428,50 л Ответ 3 : 282,45 л Ответ 4 : 648,35 л

14. Сколько л водорода (н.у.) выделится при каталитическом дегидрировании 49 г метилциклогексана в толуол, если объемная доля выхода продукта равна 75% от теоретически возможного? Ответ 1 : 15,5 л Ответ 2 : 25,2 л Ответ 3 : 22,4 л Ответ 4 : 4,48 л

15*. При сгорании 13,44 л (н.у.) смеси монооксида углерода, метана и ацетилена образовалось 17,99 л СО₂ (н.у.) и 9 г Н₂О. Сколько литров каждого газа содержится в смеси? Ответ 1 : V(CO) = 10 л;     V(CH₄) = 1,72 л;     V(C₂H₂) = 1,72 л Ответ 2 : V(CO) = 5,04 л;   V(CH₄) = 3,16 л;     V(C₂H₂) = 5,24 л Ответ 3 : V(CO) = 2,5 л;     V(CH₄) = 3 л;         V(C₂H₂) = 7,94 л Ответ 4 : V(CO) = 5 л;        V(CH₄) = 2,5 л;      V(C₂H₂) = 4,94 л

16*. При взаимодействии 11,2 г алкена с бромоводородом получено 27,4 г вещества. Напишите формулы всех возможных изомеров алкена. Ответ 1 : Ответ 2 : Ответ 3 : Ответ 4 :

17*. Анализ смеси метана и ацетилена показал, что общее содержание углерода в смеси по массе равно 88, 46%. Определите состав смеси в % по массе. Ответ 1 : (CH₄) = 30%;        (C₂H₂) = 70% Ответ 2 : (CH₄) = 25,5%;      (C₂H₂) = 74,5% Ответ 3 : (CH₄) = 20,8%;      (C₂H₂) = 79,2% Ответ 4 : (CH₄) = 40%;         (C₂H₂) = 60%

18*. При сгорании 14,6 г хлорсодержащего органического вещества было получено 13,44 л СО₂ и 3,6 г Н₂О. Весь хлор, содержавшийся в навеске, вдвое меньшей, чем исходная, переведен в AgCl массой 14,3 г. Плотность по водороду исследуемого хлорорганического вещества равна 74. Определите молекулярную формулу этого вещества. Ответ 1 : C₂H₄Cl₂ Ответ 2 : C₄H₈Cl₂ Ответ 3 : C₃H₆Cl₂ Ответ 4 : C₆H₄Cl₂

19*. Какой объем хлороводорода может прореагировать с 15 г смеси, состоящей из триметиламина, пропиламина и метилэтиламина? Ответ 1 : 2,24 л Ответ 2 : 5,7 л Ответ 3 : 4,48 л Ответ 4 : 6,72 л

20*. При окислении одноатомного спирта m = 11,2 г кислородом воздуха в присутствии катализатора при 500°С образовалась кислота, на нейтрализацию которой потребовалось 59,4 мл 20% раствора КОН (=1,18 г/мл). Какова формула исходного спирта? Ответ 1 : C₄H₉ОН Ответ 2 : C₃H₇ОН Ответ 3 : C₂H₅ОН Ответ 4 : CH₃ОН