Расчеты по уравнениям химических реакций

С помощью стехиометрических коэффициентов схема химической реакции переходит в ее уравнение, которое в явном виде отражает закон сохранения количества атомов каждого вида при переходе от исходных веществ (реагентов) к продуктам реакции.

Стехиометрические коэффициенты позволяют установить связь между количествами участвующих в реакции веществ на основе следующего правила:

коэффициенты в химическом уравнении задают молярные пропорции (отношения), в которых вступают в реакцию исходные вещества (реагенты) и образуются продукты реакции.

Рассмотрим в качестве примера реакцию синтеза аммиака:

3H₂ + N₂ = 2NH₃ ,

для которой согласно приведенному правилу можно записать

,

где индексы «пр.» и «обр.» соответствуют количествам прореагировавших и образовавшихся веществ. Последнее соотношение можно представить в ином виде:

а) для веществ H₂ и N₂:

или в другой форме ;

б) для веществ H₂ и NH₃: или ;

в) для веществ N₂ и NH₃: или .

Легко видеть, что все пропорции можно объединить и записать в виде:

= .

Последнее равенство является основным расчетным уравнением, связывающим количества прореагировавших веществ и образовавшихся продуктов реакции. При необходимости в это уравнение можно из условия задачи ввести массы и объемы участников реакции, используя обычные соотношения.

Например, для реакции

4FeS₂(т) + 11О₂ = 2Fe₂O₃(т) + 8SO₂(г)

основное расчетное уравнение имеет вид:

и если в него ввести обычно задаваемые в задачах для твердых веществ их массы, а для газов – объемы, то оно примет следующую форму:

Методика вычислений с использованием основного расчетного уравнения химической реакции включает в себя несколько общих моментов:

1) Прежде всего определяют опорное вещество, по количеству которого проводят весь последующий расчет. В условии задачи для него задана или масса, или объем, или концентрация, которые, в свою очередь, позволяют вычислить число молей опорного вещества. Как правило, это не составляет большого труда, а исключение относится к так называемым задачам на избыток и недостаток, когда опорное вещество нужно выбрать из двух исходных. Дело в том, что при приготовлении реакционной смеси исходные вещества можно смешивать в любых пропорциях, но реагировать друг с другом они будут всегда в строго определенных пропорциях, которые устанавливают для них стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции. В этих условиях вполне возможна ситуация, когда одно из исходных веществ прореагирует полностью, а часть другого останется не прореагировавшей и тогда говорят, что первое вещество взято в недостатке по отношению ко второму и, наоборот, второе вещество находится в избытке по отношению к первому. В данном случае в качестве опорного вещества следует выбрать исходное вещество, взятое в недостатке, поскольку именно его количество будет определять как окончание реакции, так и количества образующихся продуктов.

Как определить опорное вещество, если в задаче указаны данные (массы, объемы и др.) для обоих исходных веществ? Пусть в реакцию вступают два вещества А и В

аА + вВ → продукты реакции,

а исходные количества этих веществ n₀ (А) и n₀ (В) можно вычислить из условия задачи.

Для ответа на поставленный вопрос нужно сравнить два числа , где возможны три варианта:

I вар. , тогда исходная реакционная смесь называется стехиометрической и в качестве опорного вещества может быть выбрано любое из них – А или В;

II вар. , тогда вещество А взято в избытке и опорным будет вещество В;

III вар. , тогда вещество В будет в избытке и опорным является вещество А.

Окончание необратимых химических реакций в первом варианте происходит в момент одновременного исчезновения обоих исходных веществ, а в двух других – в момент исчезновения вещества, взятого в недостатке, причем в конечной смеси веществ, наряду с продуктами реакции, будет присутствовать не прореагировавший остаток вещества, взятого в избытке.

2) Из основного расчетного уравнения вытекает простое правило определения числа молей вступивших в реакцию исходных веществ и образовавшихся продуктов по числу молей опорного вещества:

для определения числа молей прореагировавшего или образовавшегося в реакции вещества необходимо число молей опорного вещества разделить на его стехиометрический коэффициент и этот результат умножить на стехиометрический коэффициент определяемого вещества.

Для реакции 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + H₂­,

где опорным веществом, например, является алюминий можно записать:

Определив количества интересующих нас веществ, легко рассчитать их массы, объемы и концентрации, то есть те характеристики участников химической реакции, которые фигурируют в условии задачи.

Таким образом, общая схема расчета по уравнению химической реакции может быть представлена в виде:

1. Необратимая реакция.

Пусть и начальные количества реагентов А и В и , т.е. вещество А взято в избытке, тогда

a A + в В = с С + d D

	начало реакции:	моль (избыток)	моль (недостаток)
окончание реакции: