Расчеты массы (объема, количества вещества) продуктов реакции по химическим уравнениям

Обязательный минимум знаний Задание С4 контрольно-измерительного материала представляет собой задачу, основанную на расчетах по химическим уравнениям. Одно или несколько реагирующих веществ могут быть взяты в виде раствора с известной массовой долей растворенного вещества, либо необходимо рассчитать массовую долю продукта реакции в растворе. Следовательно, для успешного решения задач подобных нужно до автоматизма довести расчет массы вещества в растворе с указанной концентрацией и плотностью. При вычислении массовой доли продукта реакции масса конечного раствора рассчитывается, как правило, суммированием масс реагирующих веществ за вычетом массы газообразных или нерастворимых продуктов реакции.

Задачи на примеси Задачи на избыток-недостаток Базовый тип Задачи на альтернативу Сущность Исходное вещество содержит посторонние примеси, поэтому расчет продукта ведут по массе (количеству) чистого вещества Одно из исходных веществ взято в избытке и, следовательно, реагирует не полностью В зависимости от соотношения исходных веществ в реакции могут образоваться продукты различного состава Отличительная особенность В условии задачи встречаются слова «примесь», «технический образец» В условии задачи даны массы (количества) не одного, а двух исходных веществ В условии задачи даны массы (количества) двух исходных веществ и спрашивается, какое вещество получится в результате реакции Особенности решения Расчет продукта ведут не по массе вещества с примесями (технического образца), а по массе чистого исходного вещества Расчет продукта ведет по веществу, взятому в недостатке Вначале определяют, по какому именно уравнению реакции из нескольких возможных пойдет процесс, затем рассчитывают массу продукта по веществу, взятому в недостатке. Используемые формулы m(чист.в) w(чист)= m(образца) w(прим) + w(чист.в) = 1 m(чист.в)=m(образц а) w(чист.в), где w выражена в долях от единицы Определяют, какое из исходных веществ взято в избытке, сравнивая для каждого отношение количества вещества на коэффициент в уравнении реакции: (вещества) коэффициент В избытке то вещество, для которого это отношение больше

Взаимодействие металлов с кислотами С растворимыми минеральными кислотами (кроме азотной и концентрированной серной) реагируют только металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений левее водорода. При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, никель), проявляют минимальную из возможных степень окисления – обычно это +2. Взаимодействие металлов (в том числе и тех, которые находятся в электрохимическом ряду правее водорода) с азотной кислотой приводит к образованию продуктов восстановления азота, а с серной концентрированной кислотой – к выделению продуктов восстановления серы. Поскольку в реальности образуется смесь продуктов восстановления, в задаче часто есть прямое указание на получающееся вещество. С холодными (без нагревания) концентрированными азотной и серной кислотами не реагируют Al, Cr, Fe. При нагревании реакция протекает и образуются соли этих металлов в степени окисления +3. Не реагируют с данными кислотами ни при какой концентрации Au и Pt.

Взаимодействие металлов с водой и щелочами В воде при комнатной температуре растворяются только металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы – Li, Na, K, Rb, Cs, а также металлы IIа группы – Са, Sr, Ba. Образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить Mg. В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы –алюминий, цинк, бериллий, олово. При этом образуются гидроксо-комплексы и выделяется водород, например: 2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2, Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na2[Zn(OH) 4 ] + H 2.

ТИП I. НЕРАСТВОРИМОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ. Задача 1. Смесь алюминия и железа обработали избытком соляной кислоты, при этом выделилось 8,96 л газа (н.у.). Это же количество смеси обработали избытком раствора гидроксида натрия, выделилось 6,72 л газа (н.у.). Найти массовую долю железа в исходной смеси.

Решение 1) Составим уравнения реакций взаимодействия металлов с кислотой и щелочью, при этом нужно учесть, что железо не реагирует с раствором щелочи: 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 (1) 2моль 3моль Fe + 2HCl = FeCl 2 +H 2 (2) 1моль 2Al + 2NaOH + 6H 2 O == 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2 (3) 2моль 3моль

2) Поскольку со щелочью реагирует только алюминий, то можно найти его количество вещества: ν(Н2) = V/V M = 6,72 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,3 моль, следовательно, ν(Al) = 0,2 моль. 3) Поскольку для обеих реакций были взяты одинаковые количества смеси, то в реакцию с соляной кислотой вступило такое же количествоалюминия, как и в реакцию со щелочью, – 0,2 моль. По уравнению (1) находим: ν(Н 2 ) = 0,3 моль.

4) Найдем количество вещества водорода, выделившегося в результате реакции металлов с кислотой: ν общ (Н 2 ) = V / V М = 8,96 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,4 моль. 5) Найдем количество вещества водорода, выделившегося при взаимодействии железа с кислотой, и затем количество вещества железа: ν(Н 2 ) = ν общ (Н 2 ) – ν(Н 2 ) = 0,4 – 0,3 = 0,1 моль, ν(Fe) = 0,1 моль.

6) Найдем массы Al, Fe, массу смеси и массовую долю железа в смеси: m(Al) = 27 (г/моль) * 0,2 (моль) = 5,4 г, m(Fe) = 56 (г/моль) * 0,1 (моль) = 5,6 г, m смеси (Al, Fe) = 5,4 + 5,6 = 11 г, ω (Fe) = m в-ва / m см = 5,6 / 11 = 0,5091 (50,91 %). Ответ. ω(Fe) = 50,91 %.

ТИП II. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Речь идет об одновременно происходящих реакциях, с реагентом (реагентами) взаимодействуют все компоненты смеси. Для определения порций отдельных компонентов придется использовать алгебраический алгоритм. Поскольку в дальнейшем предстоят расчеты по уравнениям реакций, в качестве неизвестной величины лучше всего выбрать количество вещества.

Алгоритм 1. Решение через систему уравнений с двумя неизвестными (подходит для любой задачи такого типа) 1. Составить уравнения реакций. 2. Количества веществ (ν) в исходной смеси обозначить через х, у моль и, согласно молярным соотношениям по уравнениям реакций, выразить через х, у моль количества веществ в образовавшейся смеси. 3. Составить математические уравнения. Для этого следует выразить массу (или объем) веществ через х, у и молярную массу (молярный объем) по формулам: m = ν*M; V = ν*V М. 4. Составить систему уравнений и решить ее. 5. Далее решать согласно условиям задачи.

Задача 1. Пластинку из магниево- алюминиевого сплава массой 3,9 г поместили в раствор соляной кислоты. Пластинка растворилась, и выделилось 4,48 л газа. Найти массовые доли металлов в сплаве.

Решение 1) Запишем уравнения реакции: Mg + 2HCl = MgCl 2 +H 2 1моль 1моль 2Al+ 6HCl = 2AlCl 3 +3H 2 2моль 3моль

2) Обозначим количества веществ: ν(Mg) = x моль; ν(Н 2 ) = х моль; ν(Al) = y моль; ν(Н 2 ) = 1,5 у моль. 3) Составим математические уравнения: найдем массы магния, алюминия и их смеси, а также количество вещества выделившегося водорода: m(Mg) = 24x, m(Al) = 27y, m(смеси) = 24х + 27y; ν(Н 2 ) = V/V M = 4,48 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль.

4) Составим систему уравнений и решим ее: 24x+ 27y=3,9 x + 1,5y = 0, 2 х = 0,2 – 1,5у, 24(0,2 – 1,5у) + 27у = 3,9, у = 0,1; х = 0,2 – 1,5*0,1 = 0,05.

5) Найдем массы магния и алюминия и их массовые доли в смеси: m(Mg) = 0,05 (моль) * 24 (г /моль) = 1,2 г, m(Al) = 0,1 (моль) * 27 (г /моль) = 2,7 г, ω(Mg) = m(Mg) / m(см.) = 1,2 (г) / 3,9 (г) = 0,3077, ω(Al) = m(Al) / m(см.) = 2,7 / 3,9 = 0,6923. Ответ. ω(Mg) = 30,77 %; ω(Al) = 69,23 %.

Алгоритм 2. Решение через уравнение с одним неизвестным (подходит только для задач, в которых можно найти общее количество продукта, образующегося во всех параллельных реакциях) 1. Составить уравнения реакций. 2. Найти количество образовавшегося вещества. 3. Обозначить количество вещества, получившегося в результате одной реакции, через х моль, тогда количество вещества, получившегося в результате второй реакции, будет равно: (ν – х). Выразить, согласно уравнениям реакций, количества веществ в исходной смеси. 4. Выразить массы веществ, составить и решить уравнение с одним неизвестным.

ТИП III. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЗАДАЧИ Задача 1. При обработке 17,4 г смеси алюминия, железа и меди избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л (н.у.). Не растворившийся в соляной кислоте остаток растворился в концентрированной азотной кислоте с выделением 4,48 л газа (н.у.). Определить состав исходной смеси (в %).

Решение 1) Составим уравнения реакций: Fe+ 2HCl = FeCl 2 + H 2 1моль 2Al+ 6HCl = 2AlCl 3 +3H 2 2моль 3моль Cu+ 4HNO 3 == Сu(NO3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O. 1моль 2моль

2) Найдем количество вещества оксида азота(IV) и количество вещества и массу меди: ν(NO 2 ) = V / V М = 4,48 л / 22,4 (л/моль) = 0,2 моль, ν(Сu) = 0,1 моль; m(Cu) = M * ν == 64 (г/моль) * 0,1 (моль) = 6,4 г. 3) Найдем массу смеси железа и алюминия: m(Fe, Al) = 17,4 (г) – 6,4 (г) = 11 г.

4) Обозначим количества веществ: ν(Fe) = x моль, ν(Н2) = х моль; ν(Al) = y моль, ν(Н2) = 1,5 у моль. 5) Выразим массы Fe и Al через x и y; найдем количество вещества водорода: m(Fe) = 56x; m(Al) = 27y; ν(Н 2 ) = V / V М = 8,96 (л) / 22,4 (л/моль) = 0,4 моль.

6) Составим систему уравнений и решим ее: 56x + 27y = 11 X + 1,5y =0,4 х = 0,4 – 1,5у 56(0,4 – 1,5у) + 27у = 11 у = 0,2 х = 0,4 – 1,5*0,2 = 0,1

7) Найдем массы железа и алюминия, затем массовые доли веществ в смеси: m(Fe) = 0,1 (моль) * 56 (г/моль) = 5,6 г, m(Al) = 0,2 (моль) * 27 (г/моль) = 5,4 г; ω(Cu) = m(Cu) / m(см.) = 6,4 (г) / 17,4 (г) = 0,368, ω(Fe) = m(Fe) / m(см.) = 5,6 (г) / 17,4 (г) = 0,322, ω(Al) = m(Al) / m(см.) = 5,4 (г) / 17,4 (г) = 0,31. Ответ. ω(Сu) = 36,8 %; ω(Fe) = 32,2 %; ω(Al) = 31 %.

ТИП IV. ЗАДАЧИ НА КИСЛЫЕ СОЛИ Этот тип задач тоже был предложен впервые в одном из вариантов ЕГЭ по химии в 2012 г. В зависимости от количеств реагирующих веществ возможно образование смеси двух солей.

Приведем пример. При нейтрализации оксида фосфора(V) щелочью в зависимости от молярного соотношения образуются следующие продукты: P 2 O 5 + 6NaOH = 2Na 3 PO 4 + 3H 2 O, ν(P 2 O 5 ) / ν(NaOH) = 1/6; P 2 O 5 + 4NaOH = 2Na 2 HPO 4 + H2O, ν(P 2 O 5 ) / ν(NaOH) = 1/4; P 2 O 5 + 2NaOH + H 2 O = 2NaH 2 PO 4, ν(P 2 O 5 ) / ν(NaOH) = 1/2.

При взаимодействии 0,2 моль Р 2 О 5 с раствором щелочи, содержащим 0,9 моль NaOH, молярное соотношение находится между 1/4 и 1/6. В этом случае образуется смесь двух солей: фосфата натрия и гидрофосфата натрия. Если раствор щелочи будет содержать 0,6 моль NaOH, то молярное соотношение будет другим: 0,2/0,6 =1/3, оно находится между 1/2 и 1/4, поэтому получится другая смесь двух солей: дигидрофосфата и гидрофосфата натрия.

Алгоритм 3 (Параллельные реакции) 1. Составить уравнения всех возможных реакций. 2. Найти количества реагирующих веществ и по их соотношению определить уравнения двух реакций, которые происходят одновременно. 3. Обозначить количество вещества одного из реагирующих веществ в первом уравнении как х моль, во втором – у моль. 4. Выразить через х и у количества веществ реагентов или получившихся солей согласно молярным соотношениям по уравнениям. 5. Составить и решить систему уравнений с двумя неизвестными, найти количества реагирующих веществ, затем количества получившихся солей. Далее решать задачу согласно условию.

При более сложном для понимания, но более глубоко раскрывающем химизм происходящих процессов способе решения нужно учитывать то, что в некоторых случаях продукты реакции зависят от порядка смешивания веществ. Нужно учитывать последовательность реакций, протекающих при взаимодействии многоосновной кислоты и щелочи. Так, при постепенном добавлении гидроксида натрия к раствору фосфорной кислоты будут протекать реакции:

H 3 PO 4 + NaOH = NaH 2 PO 4 + H 2 O, NaH 2 PO 4 + NaOH = Na 2 HPO 4 + H 2 O, Na 2 HPO 4 + NaOH = Na 3 PO 4 + H 2 O. При обратном же порядке смешивания реагентов последовательность протекания и сами реакции будут иными: 3NaOH + H 3 PO 4 = Na 3 PO 4 + 3H 2 O, 2Na 3 PO 4 + H 3 PO 4 = 3Na 2 HPO 4, Na 2 HPO 4 + H 3 PO 4 = 2NaH 2 PO 4.

При пропускании углекислого или сернистого газов через раствор щелочи получается средняя соль, т.к. вначале щелочь находится в избытке. Затем по мере добавления оксида появляется его избыток, он реагирует со средней солью, которая частично превращается в кислую.

Алгоритм 4 (Последовательные реакции. Нейтрализация щелочи) 1. Составить уравнение реакции образования средней соли. Количество вещества средней соли и количество вещества прореагировавшей кислоты или кислотного оксида рассчитывается по количеству вещества щелочи. 2. Найти количество вещества избытка кислоты или кислотного оксида: ν изб = ν исх – ν прор. Составить уравнение реакции избытка кислоты или оксида со средней солью. 3. По количеству вещества избытка кислоты или кислотного оксида найти количество вещества кислой соли и количество прореагировавшей средней соли. 4. Найти количество вещества оставшейся средней соли.

Алгоритм 5 (Последовательные реакции. Нейтрализация кислоты) 1. Составить уравнение реакции образования кислой соли. Количество вещества кислой соли и количество прореагировавшей щелочи рассчитывается по количеству вещества кислоты. 2. Найти количество вещества избытка щелочи: ν изб = ν исх – ν прор. Составить уравнение реакции избытка щелочи с кислой солью. 3. По количеству щелочи найти количество вещества средней соли и количество прореагировавшей кислой соли. 4. Найти количество вещества оставшейся кислой соли.