1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ
Относительные атомные и молекулярные массы.
Постоянство состава вещества.
1.1 Средняя масса атомов серы равна 5,31 10-26 кг. Вычислите
относительную атомную массу элемента серы, если масса атома
углерода равна 1,993 10-26 кг.
Дано: m(S)=5,31 10-26 кг; m(C) =1,993 10-26 кг.
Определить: Ar(S).
Решение: В соответствии с определением относительной атомной массы, по
которому Ar(Х) – отношение массы атома элемента Х к
массы атома
углерода, получаем:
Ar(S) =
;
Ar(S) =
32,0
1.2 Рассчитайте, во сколько раз масса атома кислорода больше массы
атома гелия.
Дано: элементы О (кислород) и Не (гелий).
Определить:
(m- масса атома элемента).
Решение: 1. В соответствии с определением относительной атомной массы
получаем:
Ar (О) =
и Ar (He) =
2. Используя полученные формулы, получаем:
=
;
=
=4
Таким образом, атом кислорода имеет массу в 4 раза больше, чем атом
гелия.
1.3 Относительная атомная масса фтора равна 19. Определите
среднюю массу атома фтора (в кг), учитывая, что масса атома углерода
равна 1,993 10-26 кг.
Дано: Ar (F) = 19; m(C) =1,993 10-26 кг.
Определить: m(F).
Решение: В соответствии с определением относительной атомной массы
можно записать:
Ar (F) =
m(F)= 19
или m(F)= Ar (F)
1,993 10-26 кг
3,156 10-26 кг
Химические формулы и расчеты по ним
При расчетах по химическим формулам или при определении формул
соединений часто используется понятие массовая доля w(X), рассчитываемая
по формулам:
w(X)=
(1.1)
или
w(X)=
%,
(1.2)
где
- масса компонента системы Х, г (кг);
- сумма масс всех компонентов системы Х1, Х2,…, Хi , г (кг).
Массовая доля - безразмерная величина. По формуле (1.1) массовую долю
вычисляют в долях, по формуле (1.2) – в процентах. Формулы (1.1) и (1.2)
можно записать в несколько другой форме:
w(X)=
(1.3)
или
w(X)=
%,
(1.4)
где
m-масса всей системы.
Например, для компонента А в веществе AxBy формулы (1.2) или (1.4) надо
записать:
w(X)=
В расчетах по формулам веществ необходимо помнить, стехиометрические
коэффициенты в формулах представляют собой отношение числа атомов
элементов, входящих в состав вещества. Например, для вещества AxBy можно
записать:
=
(1.5)
где
N(A) – число атомов элемента А,
N(B) – число атомов элемента В.
В формулах веществ коэффициенты x и y – обычно наименьшие целые числа,
поэтому при решении задач, вначале находится отношение x:y, а затем
подбираются наименьшие целые числа, которые соответствуют этому
отношению.
1.4 Рассчитайте, в каком массовом отношении соединяются натрий и
кислород в соединении Na2O.
Дано: формула вещества Na2O.
Определить: m(Na): m(O).
Решение: 1. Определяем массу (в относительных единицах массы) двух
атомов натрия:
m(Na) = 2 Ar (Na); m(Na) = 2 23 = 46
2. Масса одного атома кислорода в относительных единицах массы равна:
m(О) = 1 Ar (О); m(О) = 16
3. Определяем отношение масс натрия и кислорода, в котором они
соединяются в веществе Na2O:
m(Na) : m(O) = 46 : 16, или m(Na) : m(O) = 23 : 8,
или m(Na): m(O) = 2,875
1.5 Определите массовые доли элементов в следующих соединениях: а)
оксиде лития Li2O.
Дано: формула вещества Li2O.
Определить: w(Li) и w(O).
Решение: 1. Определяем массу двух атомов лития (в относительных
единицах массы):
m(Li) = 2 Ar (Li); m(Li) = 2 7 = 14
2. Определяем массу одной частицы Li2O в относительных единицах массы:
m(Li2О) = 2 Ar (Li) + 1 Ar (О);
m(Li2О) = 2 7 + 1 16 = 30
3. Вычисляем массовую долю лития в Li2O по формуле (1.1) или (1.3):
w(Li) =
; w(Li) =
0,467
Можно рассчитывать массовую долю в процентах по формуле (1.2) или (1.4):
w(О) =
; w(О) =
% 46,7%
4. Аналогично определяем массовую долю кислорода:
m(O) = 1 Ar (O); m(O) = 16
w(О) =
; w(О) =
%
53,3%
1.6 Водород и кремний соединяются в массовом отношении 1:7.
Определите формулу этого соединения водорода и кремния.
Дано: m(H): m(Si) = 1:7
Определить: формулу соединения.
Решение: 1. Выберем для расчетов некоторую массу одного из элементов,
входящих в состав соединения (массу можно выбрать в граммах, но удобнее
– в относительных единицах массы). Например, выберем для расчета массу
водорода, равную 100 относительных единиц массы, т.е.
m(H) = 100
2. Определяем массу кремния (в относительных единицах), который
соединен с выбранной массой водорода:
m(Si) =
; m(Si) = 7 100 = 700
3. Рассчитываем число атомов водорода в образце с выбранной массой:
N(H) =
; N(H) =
= 100
4. Аналогично вычисляем число атомов кремния в образце с m(Si) = 700:
N(Si) =
; N(Si) =
= 25
5. Находим отношение числа атомов водорода и кремния в молекуле
вещества:
N(H) : N(Si) = 100 : 25 = 4 : 1,
т.е. четыре атома водорода соединены с одним атомом кремния. Поэтому
формула вещества: SiH4.
Количество вещества. Моль. Молярная масса.
При решении задач этого раздела необходимо знать определения всех
понятий, перечисленных в названии, а так же использовать формулы:
M(X) =
,
(1.6)
,
(1.7)
где
– молярная масса вещества Х, г/моль
(Х) – масса вещества Х, г;
(Х) – количество вещества Х, моль;
(Х) =
где
N(X) – число структурных единиц (атомов, молекул) вещества Х;
NA – постоянная Авогадро; NA – 6,02 1023 1/моль.
Необходимо так же помнить, что молярная масса вещества, выраженная в
г/моль (или кг/моль), всегда численно равна относительной молекулярной
массе Mr (или сумме относительных атомных масс Ar всех компонентов),
выраженной в атомных единицах массы (относительных единицах),
например:
M(AxBy) = [x
(A) + y
(B)] г/моль
1.7 Рассчитайте количество вещества магния в образце этого
металла массой 6 г.
Дано: m(Mg) = 6 г.
Определить: v(Mg).
Решение: Зная молярную массу магния {M(Mg) = [
(Mg)] г/моль = 24
г/моль}, определяем количество вещества по формуле (1.6):
(Mg) =
(Mg) =
;
= 0,25 моль.
1.8 Определите число молекул Br2 в броме массой 3,2 г.
Дано: m(Br2) = 3,2 г.
Определить: N(Br2).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества брома по формуле (1.6):
;
(Br2) =
(Br2) =
= 0,02 моль
2. Используя формулу (1.7), вычисляем число молекул брома в веществе:
(Br2) = (Br2)
;
(Br2) = 0,02 моль 6,02 1023 1/моль = 1,204 1022
1.9 Чему равна масса смеси, состоящей из 10 моль газообразного
водорода и 5 моль кислорода?
Дано: (Н2) = 10 моль; (О2) = 5 моль
Определить: m(смеси).
Решение: 1. Определяем массу кислорода, входящего в состав смеси:
m(O2) = (О2) M(O2);
m(O2) = 5 моль 32 г/моль = 160 г
2. Рассчитываем массу водорода, входящего в состав смеси:
m(Н2) = (Н2) M(Н2);
m(Н2) = 10 моль 2 г/моль = 20 г
3. Вычисляем массу смеси кислорода и водорода:
m(смеси) = m(Н2) + m(O2);
m(смеси) = 20 г + 160 г = 180 г.
Расчеты по химическим уравнениям
Расчеты по уравнениям химических реакций относятся к наиболее
распространенным химическим задачам. Эти расчеты основаны на
стехиометрических коэффициентах уравнений. Предположим, что в общем
виде уравнение реакции выглядит следующим образом:
aA + bB + cC + dD,
(1.8)
где
А и В – исходные вещества;
С и D – продукты реакции;
a, b, c и d – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции.
Из данного уравнения следует, что а моль вещества А взаимодействует с b
моль вещества B; при этом образуется c моль вещества C и d моль вещества
D.
Если мы пропорционально увеличиваем (или уменьшаем) количество
одного из веществ, то пропорционально увеличиваются количества других.
Например, если мы берем
моль вещества А, то с ним прореагирует моль
В, а образуется моль С и моль D.
На основании уравнения (1.8) можно вывести следующие соотношения:
= ,
(1.9)
=
(1.10)
и т.д. для всех веществ, участвующих в реакции.
В расчетах по уравнениям реакции часто используется понятие массовой
доли выхода продукта Х (или просто – выход продукта Х) – wв(Х):
wв(Х) =
,%,
где
m(X) – масса продукта, который должен образоваться в соответствии с
расчетом по уравнению реакции (теоретический выход);
(1.11)
mпр(X) – масса реально полученного продукта реакции с учетом всех потерь
(практический выход).
Если выход продукта не указывается в условии задачи, то предполагается,
что он равен 100% и расчет по формуле (1.11) не проводится.
1.10 Кальций массой 2 г прореагировал с кислородом. Какая масса
кислорода вступила в реакцию?
Дано: m(Ca) = 2 г.
Определить: m(O2).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества кальция, взятого для
реакции:
v(Ca) =
v(Ca) =
;
= 0,05 моль.
2. Составляем уравнение реакции кальция с кислородом:
2Ca + O2 = 2CaO
3. Из уравнения реакции следует, что для реакции с 2 моль Са требуется 1
моль кислорода. На основании этого можно записать [см. формулу (1.9)]:
= ;
= v(Ca);
= 0,05 моль = 0,025 моль
4. Рассчитываем массу кислорода, вступившего в реакцию:
m(O2) =
(О2);
m(O2) = 0,025 моль 32 г/моль = 0,8 г.
1.11 При взаимодействии водорода и кислорода образовалось 450 г воды.
Чему равна масса газов, вступивших в реакцию?
Дано: m(Н2О) = 450 г.
Определить: m(Н2); m(O2).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества образовавшейся воды:
;
v(Н2О) =
v(Н2О) =
= 25 моль
2. Составляем уравнение реакции:
2Н2 + О2 = 2Н2О
3. Из уравнения реакции следует : для получения 2 моль воды требуется 2
моль Н2 и 1 моль О2, поэтому можно записать [см. формулу (1.10)]:
= = 1; v(Н2) = v(Н2О); v(Н2) = 25 моль
= ; v(О2) = v(Н2О);
v(О2) = 25 моль = 12,5 моль
4. Определяем массу водорода и кислорода, вступивших в реакцию:
m(Н2) =
(Н2);
m(Н2) = 25 моль 2 г/моль = 50 г.
m(O2) =
(О2);
m(O2) = 12,5 моль 32 г/моль = 400 г.
1.12 Смесь, состоящую из 3 г магния и 3,9 г цинка, сплавили с серой,
которая находилась в избытке. Рассчитайте массу полученной смеси
сульфидов металлов.
Дано: m(Mg) = 3 г; m(Zn) = 3,9 г.
Определить: m(S).
Решение: В задаче проводится расчет по уравнениям двух реакций.
1. Рассчитываем количество вещества Mg и Zn, взятых для реакций:
v(Mg) =
; v(Mg) =
= 0,125 моль
v(Zn) =
; v(Zn) =
= 0,06 моль
2. Составляем уравнения реакций: магния с серой и цинка с серой:
Mg + S = MgS
(а)
Zn + S = ZnS
(б)
3. Из уравнения реакции (а) следует:
v(MgS) = v(Mg); v(MgS) = 0,125 моль
4. Из уравнения реакции (б) следует:
v(ZnS) = v(Zn); v(ZnS) = 0,06 моль
5. Рассчитываем массу полученного сульфида магния
m(MgS) = v(MgS)
(Mgs);
m(MgS) = 0,125 моль 56 г/моль = 7,0 г.
6. Рассчитываем массу полученного сульфида цинка
m(ZnS) = v(ZnS)
(ZnS);
m(ZnS) = 0,06 моль 97 г/моль = 5,82 г.
7. Определяем массу полученных сульфидов металлов:
m(смеси) = m(MgS) + m(ZnS);
m(смеси) = 7,0 г + 5,82 г = 12,82 г.
2. КИСЛОРОД. ОКСИДЫ. ГОРЕНИЕ
Получение и свойства кислорода.
2.1 В каком случае будет получено больше кислорода: при разложении 5 г
хлората калия или при разложении 5 г перманганата калия?
Дано: m(KClO3) = 5г; m(KMnO4) = 5г.
Определить:
(O2) и
(O2).
Решение:1. Рассчитываем количество вещества хлората калия и
перманганата калия:
;
v(KClO3) =
v(KClO3) =
0,0408 моль;
;
v(KMnO4) =
v(KMnO4) =
0,0316 моль.
2. Составляем уравнение реакций разложения хлората калия и
перманганата калия, которые приводят к образованию кислорода:
2KClO3 = 2KCl + 3O2
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
3. Из уравнения (а) следует:
= ;
(O2) = v(KClO3);
(O2) = 0,0408 моль = 0,0612 моль.
4. Из уравнения (б) следует:
= ;
(О2) = v(KMnO4);
(а)
(б)
(О2) = 0,0316 моль = 0,0158 моль.
Таким образом,
(О2) <
(О2), следовательно, больше кислорода можно
получить при разложении 5 г хлората калия KClO3.
2.2 Из перманганата калия массой 7,9 г был получен кислород, который
прореагировал с магнием. Какая масса оксида магния будет при этом
получена?
Дано: m(KMnO4) = 7,9 г.
Определить: m(MgO).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества перманганата калия:
;
v(KMnO4) =
v(KMnO4) =
= 0,05 моль.
2. Составляем уравнения реакций:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2
2Mg + O2 = 2MgO
3. Из уравнения реакции (а) следует:
v(O2) = v(KMnO4);
v(O2) = 0,05 моль = 0,025 моль
4. Из уравнения реакции (б) следует:
v(MgO) = 2v(O2);
v(MgO) = 2 0,025 моль = 0,05 моль
5. Рассчитываем массу полученного оксида магния:
m(MgO) = v(MgO) М(MgO);
m(MgO) = 0,05 моль 40 г/моль = 2 г.
(а)
(б)
2.3 В оксиде некоторого одновалентного металла массовая доля
кислорода равна 53,3%. Определите, что это за металл.
Дано: оксид Ме2О; w(O) = 53,3%.
Определить:
(Me), т.е. что это за металл.
Решение: 1. Выберем для расчетов образец оксида Ме2О определенной
массы, например 100 г, т.е. m(Me2O) = 100 г.
2. Вычислим массу и количество вещества кислорода в оксиде:
;
m(O) =
m(O) =
= 53,3 г;
v(O) =
v(O) =
;
3,33 моль
3. Масса и количество вещества металла в оксиде составит:
m(Me) = m(Me2O) – m(O);
m(Me) = 100 г – 53,3 г = 46,7 г;
v(Ме) =
;
v(Ме) =
4. Из формул оксида Ме2О следует:
= ;
v(Me) = 2v(O);
= 2 3,33
5. Решая полученное уравнение, получаем, что М(Ме)
7 г/моль,
(Me)
= 7. По Периодической системе Д.И. Менделеева определяем, что металл –
это литий.
Воздух. Горение
2.4 Рассчитайте среднюю относительную «молекулярную» массу
воздуха, приняв его состав следующим: азот – массовая доля 75,6%,
кислород – 23,1%, аргон – 1,3%.
Дано: w(N2) = 75,6%; w(O2) = 23,1%; w(Ar) = 1,3%.
Определить:
(воздуха).
Решение: 1. Выберем для расчетов образец воздуха массой 100 г, т.е.
m(воздуха) = 100 г.
2. Определяем массу и количество вещества азота в выбранном образце
воздуха:
m(N2) =
;
m(N2) =
= 75,6 г;
v(N2) =
v(N2) =
;
= 2,7 моль
3. Аналогично получаем для кислорода и аргона:
m(О2) = 23,1 г; v(О2) =
v(О2) =
;
0,722 моль
m(Ar) = 23,1 г; v(Ar) =
;
v(Ar) =
= 0,0325 моль
4. Среднюю «молярную» массу воздуха можно рассчитать, разделив массу
образца воздуха на сумму количеств веществ, входящих в воздух:
,
(воздуха) =
(1.12)
где vi – все компоненты воздуха.
Поэтому вычисляем сумму количеств веществ:
5. Вычисляем среднюю « молярную» массу воздуха:
(воздуха) =
(воздуха) =
;
29,0 г/моль,
а средняя молекулярная масса будет равна:
r(воздуха) = 29.
2.5 Приняв относительную «молекулярную» массу воздуха за 29 и
предполагая, что он состоит только из двух компонентов – азота и
кислорода, рассчитайте массовые доли этих газов в воздухе.
Дано:
r(воздуха) = 29; компоненты: N2 и O2.
Определить: w(N2) и w(O2).
Решение: 1. Выберем для расчетов образец воздуха массой 100 г, т.е.
m(воздуха) = 100 г.
2. Используя формулу (1.12) (см. решение задачи 1), определяем
суммарное количество вещества всех компонентов воздуха:
3. Обозначим w(N2) через х; т.е. w(N2) = х%. Тогда масса и количество
вещества азота в воздухе составит:
;
m(N2) =
m(N2) =
v(N2) =
;
v(N2) =
моль
4. Масса и количество вещества кислорода будут равны:
m(О2) = m(воздуха) – m(N2);
m(О2) = 100 г – xг = (100 – х)г
v(О2) =
v(О2) =
;
моль
5. Из п. п. 2, 3 и 4 получаем:
3,45 =
Решая полученное уравнение, находим, что x = 72,8, т.е. w(N2) = 72,8%.
Поскольку в задаче предполагается, что в воздухе только два компонента,
массовая доля кислорода будет равна: w(О2) = 27,2%.
Тепловой эффект химических реакций
В термохимических уравнениях реакций указывают количество
выделившейся (+ ) или поглощенной (– 𝖰) в ходе реакций теплоты,
например:
aA + bB = cC + dD
𝖰
Эта запись означает, что при взаимодействии a моль вещества A и b моль
вещества B образовалось c моль C и d моль D и выделилось (или
поглотилось) 𝖰 теплоты (в Дж или кДж).
Если в реакцию вступило некоторое количество вещества А – v(А), то
количество выделившейся (или поглощенной) теплоты будет равно . При
этом существует прямая пропорциональная зависимость между количеством
исходного вещества (или продукта) и количеством выделившейся или
поглощенной теплоты:
(2.1)
Аналогично получаем:
(2.2)
2.6 При сгорании кальция массой 8 г количество выделившейся теплоты
составило 127 кДж. Составьте термохимическое уравнение реакции.
Дано: m(Ca) = 8 г;
= 127 Дж.
Определить: .
Решение: Для составления термохимического уравнения надо определить
количество теплоты, которая выделится при сгорании кальция, количество
вещества которого будет соответствовать стехиометрическому коэффициенту
в уравнении.
1. Определяем количество вещества кальция, взятого для реакции:
;
v(Ca) =
= 0,2 моль
2. Составляем уравнение реакции горения кальция:
2Са + О2 = 2СаО
3. Применяя формулу (2.2) к уравнению реакции, находим количество
выделившейся теплоты, если в реакцию вступило 2 моль кальция:
;
=
127 кДж = 1270 кДж
4. Термохимическое уравнение реакции имеет следующий вид:
2Са + О2 = 2СаО + 1270 кДж.
2.7 Сколько теплоты выделится при сгорании теллура массой 1,92 г,
если теплота образования 1 моль ТеО2 равна 322 кДж.
Дано:
Определить:
= 1 моль; 𝖰 = 322 кДж; m(Те) = 1,92 г.
.
Решение: 1. Вычисляем количество теллура, взятого для реакции:
;
v1(Te) =
= 0,015 моль
2. Составляем термохимическое уравнение реакции:
Те + О2 = ТеО2 + 322 кДж
3. Из уравнения реакции следует, что
=
,
поэтому, используя формулу (2.1), можно написать:
;
=
;
= 4,83 кДж
= 322 кДж
2.8 Термохимическое уравнение реакции горения углерода имеет вид:
С + О2 = СО2 + 394 кДж.
Рассчитайте массу углерода, вступившего в реакцию, если выделилось
1970 кДж теплоты.
Дано: 𝖰 = 394 кДж; 𝖰1 = 1970 кДж.
Определить: m1(C).
Решение: 1. На основании термохимического уравнения реакции (приведено
в условии задачи) записываем:
;
=
=
;
= 5 моль
2. Вычисляем массу углерода, вступившего в реакцию:
m1(C) =
М(С); m1(C) = 5 моль 12 г/моль = 60 г.
3.ВОДОРОД. КИСЛОТЫ. СОЛИ
Получение и свойства водорода.
3.1 В каком случае образуется больше водорода: действием на избыток
соляной кислоты 10 г цинка или 10 г железа?
Дано: m(Zn) = 10 г; m(Fe) = 10 г.
Определить: vа(H2) и vб(H2).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества цинка и железа:
;
v(Zn) =
= 0,154 моль
;
v(Fe) =
= 0,179 моль
2. Составляем уравнения реакций:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
(а)
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
(б)
3. Из уравнения реакции (а) следует:
vа(H2) = v(Zn);
vа(H2) = 0,154 моль
4. Из уравнения реакции (б) следует:
vб(H2) = v(Fe);
vб(H2) = 0,179 моль
Таким образом, vб(H2) > vа(H2), т.е. при действии кислоты на 10 г железа
водорода образуется больше.
3.2 10 г металла натрия, который загрязнен оксидом (массовая доля
оксида – 8%), поместили в воду. Полученный водород сожгли в кислороде.
Какая масса воды образовалась при этом?
Дано: m(Na + Na2O) = 10 г; w(Na2O) = 8%.
Определить: m(Н2O).
Решение: 1. Определяем массу примесей в загрязненном натрии:
m(Na2O) =
m(Na2O) =
;
= 0,8 г
2. Вычисляем массу и количество вещества чистого натрия:
m(Na) = m(Na + Na2O) – m(Na2O);
m(Na) = 10 г – 0,8 г = 9,2 г
;
v(Na) =
= 0,4 моль
3. Составляем уравнения реакций:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
(а)
2H2 + O2 = 2H2O
(б)
4. Из уравнения (а) следует:
= ;
Из уравнения (б) следует: v(H2) = v(H2O), поэтому можно записать:
v(H2O) =
; v(H2O) =
= 0,2 моль
5. Определяем массу образовавшейся воды:
m(Н2O) = v(H2O) М(H2O);
m(Н2O) = 0,2 моль 18 г/моль = 3,6 г
3.3 Имеется смесь меди и оксида меди (II). На восстановление 10 г такой
смеси затрачен водород массой 0,06 г. Определите массовую долю меди в
исходной смеси.
Дано: m(Cu + CuO) = 10 г; m(H2) = 0,06 г.
Определить: w(Cu).
Решение: 1. Определяем количество вещества водорода, затраченного на
восстановление оксида меди (II):
;
v(Н2) =
= 0,03 моль
2.Составляем уравнение реакции восстановления оксида меди (II) (с другим
компонентом смеси – медью – водород не реагирует):
CuO + H2 = Cu + H2O
3. Из уравнения реакции следует, что
v(CuO) = v(Н2);
v(CuO) = 0,03 моль
т.е. в смеси содержится 0,03 моль оксида меди (II).
4. Определяем массу оксида меди (II) в смеси:
m(CuО) = v(CuO) М(CuO);
m(CuO) = 0,03 моль 80 г/моль = 2,4 г
5. Рассчитываем массу меди в смеси:
m(Cu) = m(Cu + CuO) – m(CuO);
m(Cu) = 10 г – 2,4 г = 7,6 г
6. Вычисляем массовую долю меди в исходной смеси:
w(Cu) =
w(Cu) =
;
= 76%.
Кислоты и соли.
3.4 В реакции между оксидом железа (III) и азотной кислотой получен
нитрат железа (III) массой 60,5 г. Рассчитайте массу и количество
вещества оксида, вступившего в реакцию.
Дано: m[Fe(NO3)3] = 60,5 г.
Определить: v(Fe2O3); m(Fe2O3).
Решение: 1. Определяем количество вещества нитрата железа (III):
;
v[Fe(NO3)3] =
v[Fe(NO3)3] =
0,25 моль
2. Составляем уравнение реакции оксида железа (III) с азотной кислотой:
Fe2O3 + 6HNO3 = 2Fe(NO3)3 + 3H2O
3. Из уравнения реакции следует
= ;
v(Fe2O3) = v[Fe(NO3)3];
v(Fe2O3) = 0,25 моль = 0,125 г
4. Определяем массу оксида, вступившего в реакцию:
m(Fe2O3) = v(Fe2O3) М(Fe2O3);
m(Fe2O3) = 0,125 моль 160 г/моль = 20 г
3.5 Оксид меди (II) массой 4 г растворили в серной кислоте, а из
полученного раствора соли вытеснили медь металлическим цинком.
Определите массу полученной меди, если массовая доля выхода на каждой
стадии процесса составляла 80 %.
Дано: m(CuO) = 4 г; wв(а) = 80%; wв(б) = 80%.
Определить: m(Cu).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества оксида меди (II):
;
v(CuO) =
2. Составляем уравнения реакций:
= 0,05 моль
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
(а)
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
(б)
3. Из уравнения реакции (а) следует:
v(CuSO4) = v(CuO);
v(CuSO4) = 0,05 моль
4. Находим массу полученного CuSO4, практически полученную массу с
учетом выхода продукта и соответствующее ей количество вещества CuSO4.
Запишем формулы:
m(CuSO4) = v(CuSO4) M(CuSO4);
;
mпр(CuSO4) =
vпр(CuSO4) =
Отсюда получаем, что
vпр(CuSO4) =
vпр(CuSO4) =
;
= 0,04 моль
5. По уравнению реакции (б) определяем количество вещества меди,
которая могла бы быть получена из 0,04 моль CuSO4:
v(Cu) = vпр(CuSO4);
v(Cu) = 0,04 моль
6. Определяем массу меди, которую получили бы при 100%-ном выходе по
реакции (б):
m(Cu) = v(Cu) M(Cu);
m(Cu) = 0,04 моль 64 г/моль = 2,56 г
7. Вычисляем массу реально полученной меди
;
mпр(Cu) =
mпр(Cu) =
2,05 г.
4. РАСТВОРЫ. ВОДА. ОСНОВАНИЯ
Растворы
При решении задач на растворы часто приходится выражать состав
раствора. Один из способов выражения состава раствора – массовая доля.
Для этого используют формулы (1.3) и (1.4), в которых m(x) – масса
растворенного вещества Х, m – масса раствора.
Состав раствора можно выразить через массу растворенного вещества (в г,
кг), которое содержится в единице объема раствора (в 1мл, 1л, 1м3).
Наконец, можно определить количество растворенного вещества (в моль),
которое содержится в единице объема раствора.
При решении задач на растворы очень важно помнить, что при смешении
двух растворов, сумма их объемов (V1 и V2) не будет равна конечному
объему V из-за химического взаимодействия компонентов, т.е.
V
V1 + V2
(4.1)
Суммировать можно только массы компонентов раствора, эта сумма будет
равна массе раствора, т.е.
m = m(X) + m(P),
(4.2)
где
m – масса раствора,
m(X) – масса растворенного вещества,
m(P) – масса растворителя.
Масса связана с объемом раствора через плотность:
m=V
,
(4.3)
где - плотность раствора (в г/см3, г/мл, кг/л).
4.1 В 200 г воды растворили 50 г хлорида натрия. Вычислите массовую
долю NaCl в полученном растворе.
Дано: m(H2O) = 200 г; m(NaCl) = 50 г.
Определить: w(NaCl).
Решение: 1. Определяем массу полученного раствора [формула (4.2)]:
m = m(NaCl) + m(H2O);
m = 50 г + 200 г = 250 г
2. По формуле (1.4) рассчитываем массовую долю растворенного вещества:
w(NaCl) =
w(NaCl) =
;
= 20%.
4.2 Сколько надо взять нитрата калия для приготовления 3 кг раствора
с массовой долей соли 8%?
Дано: w(NaCl) = 8%; m = 3 кг.
Определить: m(KNO3).
Решение: Требуемая масса соли находится сразу с использованием формулы
(1.4):
m(KNO3) =
m(KNO3) =
;
= 0,24 кг = 240 г.
4.3 Хлорид бария массой 6 г растворили в 250 мл воды (плотность воды
принять за 1 г/мл). Чему равна массовая доля соли в полученном растворе?
Дано: m(BaCl2) = 6 г; V(H2O) = 250 мл; (H2O) = 1 г/мл.
Определить: w(BaCl2).
Решение: 1. Определяем массу растворителя (воды):
m(Н2О) = V(H2O)
(H2O);
m(BaCl2) = 250 мл 1 г/мл = 250 г
2. Вычисляем массу раствора:
m = m(BaCl2) + m(BaCl2);
m = 6 г + 250 г = 256 г
3. Рассчитываем массовую долю растворенного вещества
;
w(BaCl2) =
w(BaCl2) =
= 2,34%.
Вода. Основания
4.4 При получении 1 моль гидроксида кальция действием воды на оксид
кальция выделяется 66 кДж теплоты. Какая масса воды прореагировала с
оксидом кальция, если в результате реакции выделилось 792 кДж
теплоты?
Дано: v1[Ca(OH)2] = 1 моль; Q1 = 66 кДж; Q2 = 792 кДж.
Определить: m2(H2O).
Решение: 1. Определяем количество вещества гидроксида кальция,
вступившего в реакцию:
=
;
=
=
;
= 12 моль
2. Составляем уравнение реакции получения гидроксида кальция:
СaO + H2O = Ca(OH)2
3. Из уравнения реакции следует:
v(H2O) = v[Ca(OH)2];
v(H2O) = 12 моль
4. Рассчитываем массу воды, вступившей в реакцию:
m(Н2О) = v(H2O) M(H2O);
m(Н2О) = 12 моль 18 г/моль = 216 г.
4.5 К 125 г воды добавили 50 г раствора с массовой долей серной кислоты
12%. Рассчитайте массовую долю H2SO4 в полученном растворе.
Дано: m(Н2О) = 125 г; m1 = 50 г; w1(H2SO4)=12%
Определить: w2 (H2SO4).
Решение: 1. Рассчитываем массу серной кислоты, которая содержится в 50 г
раствора:
;
m1 (H2SO4) =
m1 (H2SO4) =
=6г
2. Поскольку к этому раствору добавлялась только вода, масса H2SO4 в
новом растворе останется без изменений, т.е.
m2 (H2SO4) = m1 (H2SO4); m2 (H2SO4) = 6 г
3. Вычисляем массу нового раствора:
m2 = m1 + m(Н2О);
m2 = 50 г + 125 г = 175 г
4. Рассчитываем массовую долю серной кислоты в полученном растворе:
;
w2 (H2SO4) =
w2 (H2SO4) =
%
3,43%.
4.6 При взаимодействии с водой некоторого металла при нагревании
образовался двухвалентный оксид этого металла массой 16,2 г и водород
массой 0,4 г. Определите, какой металл был взят для реакции с водой.
Дано: оксид – МеО; m(МеО) = 16,2 г; m(Н2) = 0,4 г.
Определить: М(Ме).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества водорода, образовавшегося
в результате реакции:
v(Н2) =
v(Н2) =
;
= 0,2 моль
2. Составляем уравнение реакции, учитывая валентность металла:
Ме + Н2О = МеО + Н2
3. Из уравнения реакции следует, что
v(МеО) = v(Н2);
v(МеО) = 0,2 моль
4. Количество вещества оксида металла можно представить так:
;
v(MeO) =
v(MeO) =
5. Получаем, что
= 0,2;
= 65 г/моль
Следовательно, металл Ме – это цинк.
5. КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ИЗОТОПЫ
Классы неорганических соединений
5.1 В воде массой 120 г растворили при нагревании 5 г оксида фосфора
(V). Рассчитайте массовую долю ортофосфорной кислоты в полученном
растворе.
Дано: m(H2O) = 120 г; m(P2O5) = 5 г.
Определить: w(H3PO4).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества оксида фосфора (V):
V(P2O5) =
V(P2O5) =
;
= 0,0352 моль
2. Составляем уравнение реакции между оксидом фосфора (V) и водой:
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
3. Из уравнения реакции следует:
V(H3PO4) = 2 v(P2O5);
V(H3PO4) = 2 0,0352 моль = 0,0704 моль
4. Рассчитываем массу образовавшейся ортофосфорной кислоты:
m(H3PO4) = v(H3PO4) М(H3PO4);
m(H3PO4) = 0,0704 моль 98 г/моль
6,9 г
5. Масса полученного раствора сложится из массы воды и растворенного в
ней оксида фосфора (V):
m = m(H2O) + m(P2O5);
m = 120 г + 5 г = 125 г
6. Вычисляем массовую долю ортофосфорной кислоты в полученном
растворе:
w(H3PO4) =
;
w(H3PO4) =
% = 5,52%.
5.2 К раствору, содержащему 6,3 г гидроксида калия, прилили раствор,
содержащий 6,3 г азотной кислоты. Какую реакцию будет иметь
полученный раствор?
Дано: m(КОН) = 6,3 г; m(HNO3) = 6,3 г.
Определить: реакцию раствора.
Решение: 1. Вычисляем количество вещества гидроксида калия:
v(КОН) =
v(КОН) =
;
= 0,1125 моль
2. Рассчитываем количество вещества азотной кислоты:
v(НNO3) =
v(НNO3) =
;
= 0,1 моль
3. Составляем уравнение реакции между гидроксидом калия и азотной
кислотой:
KOH + HNO3 = KNO3 + H2O
4. Из уравнения реакции следует, что для реакции с 0,1 моль HNO3
требуется 0,1 моль КОН. Следовательно, гидроксид калия взят в избытке, в
результате чего раствор будет иметь щелочную реакцию.
5.3 Соляная кислота используется для удаления ржавчины и оксидов с
поверхности металлов. Рассчитайте массу раствора, в котором массовая
доля HCl равна 20%, который потребуется для удаления 69,6 г железной
окалины Fe3O4. При решении учтите, что в результате реакции
образуется смесь хлоридов железа (II) и (III).
Дано: w(HCl) = 20%; m(Fe3O4) = 69,6 г.
Определить: m.
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества Fe3O4:
;
v(Fe3O4) =
v(Fe3O4) =
= 0,3 моль
2. Составляем уравнение реакции между оксидом железа и соляной
кислотой:
Fe3O4 + 8HCl = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
3. Из уравнения реакции следует:
v(HCl) = 8 v(Fe3O4);
v(HCl) = 8 0,3 моль = 2,4 моль
4. Определяем массу HCl, которая требуется для реакции:
m(HCl) = v(HCl) М(HCl);
m(HCl) = 2,4 моль 36,5 г/моль = 87,6 г
5. Рассчитываем требуемую массу раствора:
;
m=
m=
= 438 г.
Изотопы
5.4 Элемент литий состоит из двух природных изотопов: 6Li (массовая
доля 7,52%) и 7Li (92,48%). Чему равна относительная атомная масса
элемента лития?
Дано: w(6Li) = 7,52%; w(7Li) = 92,48%.
Определить:
(Li).
Решение: 1. Выберем для расчетов образец лития массой 100 г, т.е. m(Li) =
100 г. Рассчитываем массу изотопа 6Li:
;
m(6Li) =
m(6Li) =
= 7,52 г
2. Количество вещества лития в этой массе составит:
;
v(6Li) =
v(6Li) =
= 1,25 моль
3. Аналогично вычисляем массу и количество вещества 7Li:
;
m(6Li) =
m(6Li) =
= 92,48 г
;
v(7Li) =
v(7Li) =
= 13,21 моль
4. Общее количество вещества лития в выбранном образце составит:
v(Li) = v(6Li) + v(7Li);
v(Li) = 1,25 моль + 13,21 моль = 14,46 моль
5. Рассчитываем молярную массу лития:
M(Li) =
M(Li) =
;
= 6,9 г/моль
6. Относительная атомная масса численно равна молярной массе,
т.е. (Li) = 6,9.
5.5 Относительная атомная масса элемента бора составляет 10,811.
Известно, что бор имеет два природных изотопа: 10В и 11В. Определите
массовую долю каждого из изотопов в природном боре.
Дано:
(В) = 10,811; изотопы 10В и 11В.
Определить: w(10B); w(11B).
Решение: 1. Выберем для расчетов образец бора массой 100 г, т.е. m(B) = 100
г. Обозначим массовую долю 10В в природном боре через x, т.е. w(10B) = x%.
тогда
w(11B) = 100 – w(10B);
w(11B) = (100 – x)%
2. Определяем массу и количество вещества 10B в выбранном образце:
m(10В) =
;
m(10В) =
=xг
;
v(10B) =
v(10B) =
=
моль
3. Аналогично вычисляем массу и количество вещества 11B:
;
m(11В) =
m(11В) =
= (100 –x)г
;
v(11B) =
v(11B) =
=
4. Общее количество вещества бора составит:
v(B) = v(10B) + v(11B);
моль
v(B) =
моль =
моль
5. Молярная масса бора численно равна относительной атомной массе:
М(В) = 10,811 г/моль. С другой стороны:
М(В) =
;
10,811 г/моль =
6. Решая полученное уравнение, получаем x
17,5, т.е.
w(10B) = 17,5%
7. Рассчитываем массовую долю изотопа 11B:
w(11B) = 100 – w(10B);
w(11B) = (100 – 17,5)% = 82,5%
6. ЗАКОН АВОГАДРО. ГАЛОГЕНЫ
Закон Авогадро
Закон Авогадро, играющий важную роль в химических расчетах,
формулируется следующим образом: в равных объемах при одинаковых
внешних условиях (температура и давление) содержится одинаковое число
молекул. Из этого закона вытекают два следствия:
а) 1 моль любого газа при постоянных условиях всегда занимает один и тот
же объем (молярный объем газа). Молярный объем газа равен отношению
объема газа при данных условиях V(X) к количеству вещества этого газа v(X):
Vm =
(6.1)
Если условия нормальные, т.е. температура равна 273,15 К (или 0 ), а
давление 101325 Па (или приблизительно 101,3 кПа), то Vm = 22,4 л/моль;
б) плотность одного газа относительно другого равна отношению молярных
масс этих газов:
DY(X) =
,
(6.2)
где
DY(X) – относительная плотность газа Х по газу ;
- молярные массы газов.
Наиболее часто пользуются значениями относительных плотностей газов
по водороду
(X) =
(6.3)
и по воздуху
DB(X) =
,
(6.4)
где
2 г/моль – молярная масса водорода;
29 г/моль – средняя молярная масса воздуха.
6.1 Рассчитайте число молекул водорода, который занимает объем 5 л
(объем приведен к нормальным условиям).
Дано: V(H2) = 5 л; нормальные условия.
Определить: N(H2).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества водорода в заданном
объеме, используя формулу (6.1):
=
0,223 моль
2. Определяем число молекул водорода, используя формулу (1.7):
N(H2) =
NA;
N(H2) = 0,223 моль 6,02 1023 моль-1 1,34 1023.
6.2 Два сосуда вместимостью по 1 л каждый находятся при одинаковых
условиях. Один из сосудов заполнен кислородом, другой – оксидом углерода
(IV). В каком из сосудов содержится большее число молекул газа? В каком
из сосудов больше масса газа?
Дано: V(О2) = 1 л; V(СО2) = 1 л.
Определить: N(О2); N(СО2); m(O2); m(CO2).
Решение: 1.Как следует из закона Авогадро, число молекул в 1 л кислорода и
в 1 л оксида углерода (II) одинаково, т.е. N(О2) = N(СО2).
2. Определяем количество вещества кислорода в выбранном образце:
=
0,0446 моль
В соответствии с законом Авогадро
=
;
0,0446 моль
3. Рассчитываем массу кислорода:
m(O2) =
;
m(O2) = 0,0446 моль 32 г/моль
1,43 г.
4. Определяем массу оксида углерода (IV):
m(СO2) =
m(СO2) = 0,0446 моль 44 г/моль
;
1,96 г.
Таким образом, во втором сосуде с оксидом углерода (IV) масса больше.
6.3 Используя значение молярного объема газа при нормальных условиях,
рассчитайте плотность молекулярного кислорода (в г/мл).
Дано: О2.
Определить: (О2).
Решение: 1. Выберем для расчетов некоторую массу газа, например 100 г.
Т.е. m(O2) = 100 г. Тогда количество вещества кислорода составит:
;
v(О2) =
v(O2) =
= 3,125 моль
2. Рассчитываем объем кислорода при нормальных условиях:
) = v(O2) Vm;
) = 3,125 моль 22,4 л/моль = 70 л = 70000 мл
3. Вычисляем плотность кислорода в г/мл:
(О2) =
(О2) =
;
0,00143 г/мл.
Галогены
6.4 Смесь, состоящую из 2 л водорода и 3 л хлора взорвали в закрытом
сосуде. Какие газы и в каком количестве будут находиться в сосуде после
взрыва?
Дано: V1(Н2) = 2 л; V1(Сl2) = 3 л.
Определить: объемы газов после реакции.
Решение: 1. Составляем уравнение реакции:
H2 + Cl2 = 2HCl
2. Из уравнения реакции и закона Авогадро следует, что
V(Сl2) = V(Н2);
V(Сl2) = 2 л
V(НСl) = 2V1(Н2);
V(НСl) = 2 2л = 4л
3. Вычисляем объем хлора, который не вступил в реакцию:
Vост(Сl2) = V1(Cl2) – V(Сl2);
Vост(Сl2) = 3л – 2л = 1л
Таким образом, в реакционной смеси будут находиться 4 л хлороводорода
и 1 л хлора.
6.5 В 100 г воды растворили хлороводород объемом при нормальных
условиях 6,72 л. Чему равна массовая доля HCl (в процентах) в полученном
растворе?
Дано: m(Н2О) = 100 г; V(НСl) = 6,72 л.
Определить: w(HCl).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества хлороводорода:
v(HCl) =
v(HCl) =
;
= 0,3 моль
2. Масса хлороводорода составит:
m(НСl) = (НСl) = v(HCl) M(HCl);
m(НСl) = 0,3 моль 36,5 г/моль = 10,95 г
3. Масса раствора будет равна:
m = m(Н2О) + m(НСl);
m = 100 г + 10,95 г = 110,95 г
4. Рассчитываем массовую долю хлороводорода в полученном растворе:
w(HCl) =
;
w(HCl) =
%
9,87%.
6.6 Рассчитайте объем хлороводорода, приведенного к нормальным
условиям, который содержится в 200 г соляной кислоты с массовой долей
HCl 14,6%.
Дано: m = 200 г; w(HCl) = 14,6%.
Определить: V(HCl).
Решение: 1. Рассчитываем массу хлороводорода в растворе:
m(НСl) =
m(НСl) =
;
= 29,2 г
2. Количество вещества хлороводорода составит:
v(HCl)=
v(HCl) =
;
= 0,8 моль
3. Вычисляем объем хлороводорода, приведенный к нормальным
условиям, содержащегося в растворе:
V(HCl) = v(HCl) Vm;
V(HCl) = 0,8 моль 22,4 л/моль = 17,92 л.
7. p – ЭЛЕМЕНТЫ VI ГРУППЫ
ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА.
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Подгруппа кислорода.
7.1 Массовая доля озона в смеси с кислородом составляет 10%.
Рассчитайте массу водорода, который необходим для реакции с 8 г такой
смеси. Учтите, что при взаимодействии водорода с обеими
аллотропическими модификациями кислорода образуется вода.
Дано: w(O3) = 10%; m = 8г.
Определить: m(H2).
Решение: 1. Вычисляем массу и количество вещества озона в смеси с
кислородом:
m(О3) =
m(О3) =
;
= 0,8 г
2. Рассчитываем массу и количество вещества кислорода в смеси:
m(О2) = m – m(О3);
m(О2) = 8 г – 0,8 г = 7,2 г
v(О2)=
v(О2) =
;
= 0,225 моль
3. Составляем уравнение реакции кислорода и озона с водородом:
О2 + 2Н2 = 2Н2О
(а)
О3 + 3Н2 = 3Н2О
(б)
4. Определяем количество вещества водорода, необходимого для реакции
(а). Из уравнения (а) следует:
va(H2) = 2v(O2);
va(H2) = 2 0,225 моль = 0,45 моль
5. Аналогично из уравнения (б) следует:
Vб(H2) = 3v(O3);
Vб(H2) = 3 0,0167 моль = 0,05 моль
6. Общее количество вещества водорода составит:
V(H2) = va(H2) + Vб(H2);
V(H2) = 0,45 моль + 0,05 моль = 0,5 моль
7. Вычисляем массу требуемого водорода:
m(Н2) = v(Н2) М(Н2);
m(Н2) = 0,5 моль 2 г/моль = 1 г.
7.2 В одном из оксидов серы массовая доля кислорода составляет 50%.
Определите, какой это оксид.
Дано: оксид SO2; w(O) = 50%.
Определить: x.
Решение: 1. Выберем для расчетов образец оксида с количеством вещества 1
моль, т.е. v(SOx) = 1 моль. Количество вещества кислорода в образце
составит:
v(O) = xv(SOx);
v(O) = x 1 моль = x моль
2. Масса кислорода составит:
m(O) = v(O) M(O);
m(O) = x моль 16 г/моль = 16x г
3. Вычисляем массу оксида:
m(SOx) = 1 моль (32 + 16x) г/моль = (32 + 16x) г
4. Из определения массовой доли следует:
w(O) =
50 =
;
5. Решаем полученное уравнение и получаем: x = 2. Таким образом,
формула оксида SO2 – оксид серы (IV).
7.3 Одним из распространенных природных соединений серы является
минерал пирит, основным компонентом которого является сульфид FeS2,
а также содержатся другие примеси. Определите, какой объем оксида
серы (IV) (объем приведен к нормальным условиям) можно получить при
обжиге 600 г пирита, если массовая доля примесей в нем составляет 20%.
Дано: w(примесей) = 20%; m(пирита) = 600 г.
Определить: V(SO2).
Решение: 1. Рассчитываем массу сульфида FeS2 в пирите:
m(примесей) =
m(примесей) =
= 120 г
m(FeS2) = m(пирита) – m(примесей);
m(FeS2) = 600 г – 120 г = 480 г
2. Количество вещества сульфида FeS2 составит:
v(FeS2)=
v(FeS2) =
;
= 4 моль
3. Составляем уравнение реакции обжига FeS2:
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3
4. Из уравнения реакции следует, что
= = 2;
v(SO2) = 2v(FeS2);
v(SO2) = 2 4 моль = 8 моль
5. Рассчитываем объем оксида серы (IV), приведенный к нормальным
условиям, который можно получить:
V(SO2) = v(SO2) Vm;
V(SO2) = 8 моль 22,4 л/моль = 179,2 л
Скорость химических реакций.
Скорость химической реакции – изменение количества реагирующего
вещества (или продукта) во времени в единице объема реакционной
системы. Например, средняя скорость реакции за время
= – по
реагирующему веществу Х можно выразить следующей формулой:
=–
v=–
,
(7.1)
где
- количество вещества Х в момент времени
1;
- количество вещества Х в момент времени
2;
– объем реакционной системы.
Если Х – образующееся в реакции вещество, то скорость реакции
рассчитывают по следующей формуле:
v=
=
,
(7.2)
Скорость химической реакции зависит от температуры. Эту зависимость
передает правило Вант-Гоффа: при увеличении (уменьшении) температуры
на 10 скорость реакции увеличивается (уменьшается) в 2 – 4 раза. Это
правило можно выразить уравнением:
Место для формулы.
(7.3)
где
v2 – скорость реакции при температуре t2;
v2 = v1
,
v1 – скорость реакции при температуре t1;
– температурный коэффициент скорости реакции (от 2 до 4)
7.4 В замкнутый сосуд вместимостью 5 л помещены: водород массой 0,8
г и хлор. Через 10 с в результате реакции масса водорода снизилась до 0,3
г. Вычислите среднюю скорость реакции.
Дано: V = 5 л; m1(H2) = 0,8 г; m2(H2) = 0,3 г;
= 10 c.
Определить: v.
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества водорода в начальный
момент реакции и через 10 с:
v1(Н2)=
;
v1(H2) =
= 0,4 моль
v2(Н2)=
;
v2(H2) =
= 0,15 моль
2. Используя формулу (7.1), рассчитываем среднюю скорость реакции по
водороду:
;
v=–
v=–
= 0,005 моль/л с
7.5 Две реакции протекают с такой скоростью, что за единицу времени
в первой образовался сероводород массой 3 г, во второй – иодоводород
массой 10 г. Какая из реакций протекала с большей средней скоростью?
Дано: m(H2S) = 3 г; m(HI) = 10 г.
Определить: скорость какой реакции больше.
Решение: 1. Определяем количество вещества сероводорода:
v(H2S) =
v(H2S) =
;
= 0,088 моль
2. Рассчитываем количество вещества полученного иодоводорода:
v(HI) =
;
v(HI) =
= 0,078 моль
3. Записываем выражение для скорости реакций получения сероводорода
и иодоводорода, используя формулу (7.2):
v(H2S) =
v(H2S) =
моль/л с
v(HI) =
v(HI) =
Учитывая, что V и
моль/л с
одинаковы как в случае H2S, так и в случае HI, выше
будет скорость в первой реакции – образования сероводорода.
7.6 При повышении температуры на 10
скорость некоторой реакции
возрастает в три раза. При температуре 0
скорость реакции
составляет 1 моль/л с. Вычислите скорость этой реакции при
температуре 30
.
Дано: = 3; t1 = 0
; t2 =30
; v1 = 1 моль/л с.
Определить: v2.
Решение: Задача решается по формуле Вант-Гоффа (7.3):
v2 = v1
v2 = 1
;
= 27
Производство серной кислоты
7.7 Рассчитайте массу серной кислоты с массовой долей H2SO4 96%,
которую можно получить из пирита массой 3,6 кг.
Дано: m(FeS2) = 3,6 кг; w(H2SO4) = 96%.
Определить: m.
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества FeS2 , взятого для реакции:
v(FeS2)=
v(FeS2) =
;
= 30 моль
2. Составляем уравнения реакций, которые надо осуществить для
получения серной кислоты из пирита:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2
(а)
2SO2 + O2 = 2SO3
(б)
SO3 + H2O = H2SO4
(в)
3. Из уравнения (а) следует:
v(SO2) = v(FeS2) = 2v(FeS2);
v(SO2) = 2 30 моль = 60 моль
4. Из уравнений (б) и (в) следует:
v(SO3) = v(SO2); v(SO3) = 60 моль
v(H2SO4) = v(SO3); v(H2SO4) = 60 моль
5. Рассчитываем массу H2SO4, которая может быть получена:
m(H2SO4) = v(H2SO4) М(H2SO4);
m(H2SO4) = 60 моль 98 г/моль = 5880 г
6. Вычисляем массу раствора кислоты, который может быть получен:
m=
;
m=
= 6125 г = 6,125 кг
7.8 Какой объем воздуха и какую массу воды надо взять для превращения
оксида серы (IV) объемом 10 л (нормальные условия) в серную кислоту?
Объемная доля кислорода в воздухе составляет 20,95%.
Дано: V(SO2) = 10 л; (O2) = 20,95%.
Определить: V(воздуха); m(H2O).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества исходного оксида серы (IV):
v(SO2) =
v(SO2) =
;
0,4464 моль
2. Составляем уравнения реакций получения серной кислоты:
2SO2 + O2 = 2SO3
(а)
SO3 + H2O = H2SO4
(б)
Из этих уравнений следует, что
v(Н2О) = v(SO2);
v(Н2О) = 0,4464 моль
3. Вычисляем массу требуемой воды:
m(H2O) = v(Н2О) М(H2O);
m(H2O) = 0,4464 моль 18 г/моль ≈ 8,04 г
4. Из уравнения реакции (а) следует, что
v(O2) = v(SO2);
v(O2) = 0,4464 моль = 0,2232 моль
5. Объем требуемого кислорода составит:
V(O2) = v(O2) ∙ Vm;
V(O2) = 0,2232 моль ∙ 22,4 л/моль ≈ 0,5 л
6. Учитывая объемную долю кислорода в воздухе, определяем требуемый
объем воздуха по формуле:
φ(Х) =
;
V(воздуха) =
V(воздуха) =
;
≈ 23,9 л
8. ЭЛЕМЕНТЫ V И IV ГРУПП
ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Подгруппа азота
8.1 Азот прореагировал с 8,4 г металла, который проявляет в
соединениях степень окисления +1. При этом образовался нитрид массой
14,0 г. Определите молярную массу металла, который был взят для
реакции, и назовите этот металл.
Дано: Ме3N; m(Me) = 8,4 г; m(Me3N) =14,0 г.
Определить: М(Ме).
Решение: 1. Определяем массу и количество вещества азота, который
прореагировал с металлом:
m(N2) = m(Me3N) – m(Me);
m(N2) = 14,0 г – 8,4 г = 5,6 г
v(N2)=
v(N2) =
;
= 0,2 моль
2. Количество вещества металла составляет:
v(Ме)=
;
v(Ме) =
=
моль
3. Составляем уравнение реакции между азотом и металлом:
6Me + N2 = 2Me3N
Из уравнения реакции следует:
= ;
v(Ме) = 6v(
);
= 6 ∙ 0,2
4. Решая полученное уравнение, получаем М(Ме) = 7 г/моль. По
Периодической системе Д. И. Менделеева определяем, что металл – литий.
8.2 При разложении галогенида аммония массой 4,9 г получен аммиак
объемом 1,12 л (объем приведен к нормальным условиям). Какой галогенид
был взят?
Дано: галогенид NH4X; m(NH4X) = 4,9 г; V(NH3) = 1,12 л.
Определить: М(Х) (какой галоген Х).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества аммиака, полученного в
реакции:
v(NH3) =
v(NH3) =
= 0,05 моль
2. Количество вещества галогенида NH4X составит:
v(NH4X)=
;
v(NH4X) =
=
моль
3. Составим уравнение реакции разложения галогенида:
NH4X = NH3 +HX
4. Из уравнения реакции следует:
v(NH3) = v(NH4X);
0,05 =
5. Из полученного уравнения следует, что М(Х) = 80 г/моль. По
Периодической системе Д.И. Менделеева определяем, что галоген Х – бром,
а галогенид – NH4Br.
8.3 Водный раствор аммиака (массовая доля NH3 10%) называется
нашатырным спиртом. Рассчитайте объем газа, приведенный к
нормальным условиям, который потребуется для получения нашатырного
спирта объемом 500 мл (плотность 0,96 г/мл).
Дано: w(NH3) = 10%; V = 500 мл; ρ = 0,96 г/мл.
Определить: V(NH3).
Решение: 1. Рассчитываем массу раствора аммиака, который надо получить:
m = V∙𝜌;
m = 500 мл ∙ 0,96 г/мл = 480 г
2. Вычисляем массу и количество вещества аммиака, который необходимо
растворить:
;
m(NH3) =
m(NH3) =
v(NH3)=
v(NH3) =
= 48 г
;
= 2,82 моль
3. Рассчитываем объем аммиака, приведенный к нормальным условиям,
который потребуется для приготовления нашатырного спирта:
V(NH3) = v(NH3) ∙ Vm;
V(NH3) = 2,82 моль ∙ 22,4 л/моль = 63,2 л.
Подгруппа углерода.
8.4 При сгорании угля массой 187,5 г образовался оксид углерода (IV)
объемом 336 л (нормальные условия). Вычислите массовую долю углерода в
угле.
Дано: т(угля) = 187,5 г; V(CO2) = 336 л.
Определить: w(С).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества образовавшегося оксида
углерода:
v(СО2) =
v(СО2) =
= 15 моль
2. Составляем уравнение реакции горения углерода:
С + О2 = СО2
Из этого следует, что
v(C) = v(CO2)
v(C) = 15 моль
3. Рассчитываем массу углерода в угле:
m(С) = v(С) М(С);
m(С) = 15 моль 12 г/моль = 180 г
4. Определяем массовую долю углерода в угле:
;
w(С) =
w(С) =
% = 96%
8.5 При прокаливании известняка массой 13,5 г потеря массы составила
5,5 г. Вычислите массовую долю карбоната кальция в известняке
(известняк кроме CaCO3 содержит неразлагающиеся вещества).
Дано: т(известняка) = 13,5 г; ∆т = 5,5 г.
Определить: w(CaCO3).
Решение: 1. Составляем уравнение реакции разложения карбоната кальция:
СаСО3 = СаО + СО2↑
Из уравнения следует, что потеря массы при прокаливании связанна с
удалением оксида углерода (IV), т.е.
т(СО2) = ∆т;
т(СО2) = 5,5 г
2. Определяем количество вещества оксида углерода(IV):
v(СО2) =
v(СО2) =
= 0,125 моль
3. Из уравнения реакции следует:
v(CaCO3) = v(СО2);
v(CaCO3) = 0,125 моль
4. Вычисляем массу карбоната кальция в образце известняка:
m(СаСО3) = v(СаСО3) М(СаСО3);
m(СаСО3) = 0,125 моль 100 г/моль = 12,5 г
5. Рассчитываем массовую долю карбоната кальция в известняке:
w(СаСО3) =
w(СаСО3) =
;
%
92,6%
8.6 Рассчитайте массу известняка (массовая доля карбоната кальция
80%, остальное – оксид кальция), который надо взять для получения
оксида углерода (IV) объемом 112 л (нормальные условия).
Дано: V(CO2) = 112 л; w(СаСО3) = 80%.
Определить: т(известняка).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества образовавшегося оксида
углерода (IV):
v(СО2) =
v(СО2) =
= 5 моль
2. Составляем уравнение реакции:
СаСО3 = СаО + СО2
Из уравнения следует, что
v(CaCO3) = v(СО2);
v(CaCO3) = 5 моль
3. Определяем массу требуемого карбоната кальция:
m(СаСО3) = v(СаСО3) М(СаСО3);
m(СаСО3) = 5 моль 100 г/моль = 500 г
4. Учитывая содержание карбоната кальция в известняке, определяем
массу требуемого известняка:
т(известняка) =
;
т(известняка) =
= 625 г.
9. МЕТАЛЛЫ
Получение металлов
9.1 Вычислите массовые доли минерала магнетита Fe3O4 и пустой
породы в железной руде, если из образца этой руды массой 500 г получили
железо массой 200 г.
Дано: т(руды) = 500 г; т(Fe) = 200 г.
Определить: w(Fe3O4); w(пустой породы).
Решение: 1. Определяем количество вещества полученного железа:
v(Fe) =
v(Fe) =
= 3,57 моль
2. Из формулы магнетита Fe3O4 следует:
v(Fe3O4) = v(Fe);
v(Fe3O4) = 3,57 моль = 1,19 моль
3. Находим массу магнетита, содержащегося в образце руды:
m(Fe3O4) = v(Fe3O4) М(Fe3O4);
m(Fe3O4) = 1,19 моль 232 г/моль ≈ 276 г
4. Рассчитываем массовую долю магнетита в руде:
w(Fe3O4) =
w(Fe3O4) =
;
55,2%
5. Учитывая, что руда содержит магнетит и пустую породу, находим
массовую долю пустой породы:
w(пустой породы) = 100 – w(магнетита);
w(пустой породы) = (100 – 55,2)% = 44,8%
9.2 Для получения никеля используют реакцию восстановления оксида
никеля (II) углеродом (NiO + C = Ni + CO). Определите массу угля, который
необходимо взять для получения никеля массой 295 г, если массовая доля
углерода в угле составляет 92%. Учтите, что для реакции нужен
двукратный избыток углерода.
Дано: т(Ni) = 295 г; w(С) = 92%; т’(С)/т(С) = 2.
Определить: т’(угля).
Решение: 1. Вычисляем реакции получения никеля, который надо получить:
v(Ni) =
v(Ni) =
= 5 моль
2. Из уравнения реакции получения никеля
NiO + C = Ni + CO
следует, что
v(С) = v(Ni);
v(С) = 5 моль
3. Определяем массу требуемого углерода:
m(С) = v(С) М(С);
m(С) = 5 моль 12 г/моль = 60 г
4. Учитывая двукратный избыток углерода, находим:
т’(С) = 2т(С);
т’(С) = 2 ∙ 60 г = 120 г
5. Вычисляем массу угля, который необходимо взять:
;
т’(угля) =
≈ 130,4 г
т’(угля) =
9.3 Из медной руды массой 8 т получили технический металл массой 325
кг (массовая доля меди 98,46%). Определите массовую долю халькозина
Cu2S в руде, если в других медьсодержащих компонентов в ней нет.
Дано: т(руды) = 8 т = 8000 кг; т(мет.) = 325 кг; w(Сu) = 98,46%.
Определить: w(Сu2S).
Решение: 1. Рассчитываем массу и количество вещества меди в техническом
металле:
;
m(Сu) =
m(Сu) =
= 320 кг
v(Сu)=
v(Сu) =
;
= 5 кмоль
2. Из формулы халькозина Cu2S следует, что 1 моль его содержит 2 моль
меди, т.е.
v(Cu2S) = v(Сu);
v(Cu2S) =
∙ 5 кмоль = 2,5 кмоль
3. Масса халькозина в руде будет равна:
m(Cu2S) = v(Cu2S) М(Cu2S);
m(Cu2S) = 2,5 кмоль 160 кг/кмоль = 400 кг
4. Рассчитываем массовую долю халькозина в руде:
w(Cu2S) =
;
w(Cu2S) =
% = 5%
Свойства металлов.
9.4 Плотность алюминия равна 2,70 г/см3, никеля – 8,91 г/см3.
Рассчитайте, какой объем будут занимать эти металлы, взятые в
количестве 1 моль.
Дано: ρ(Al) = 2,7 г/см3; ρ(Ni) = 8,91 г/см3; v(Al) = 1 моль; v(Ni) = 1 моль.
Определить: V(Al); V(Ni).
Решение: 1. Рассчитываем массу имеющегося алюминия:
m(Al) = v(Al) М(Al);
m(Al) = 1 моль 27 г/моль = 27 г
2. Вычисляем объем, который занимает 1 моль алюминия:
V(Al) =
V(Al) =
;
= 10 см3
3. Объем никеля вычисляем так же, как и для алюминия, по п.п. 1 и 2:
m(Ni) = v(Ni) М(Ni);
m(Ni) = 1 моль 27 г/моль = 27 г
V(Ni) =
V(Ni) =
;
= 6,62 см3
9.5 Рассчитайте массу цинка, который нужно растворить в соляной
кислоте, чтобы получить водород, необходимый для восстановления
оксида меди (II) массой 20 г до металла.
Дано: m(Cu) = 20 г.
Определить: m(Zn).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества оксида меди (II):
v(СuО)=
v(СuО) =
;
= 0,25 моль
2. Составляем уравнение реакции восстановления водородом оксида меди
(II) и получения водорода:
СuО + Н2 = Сu + Н2О
(а)
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
(б)
3. Из уравнения реакций (а) и (б) следует:
v(H2) = v(CuO); v(Zn) = v(H2)
Следовательно
v(Zn) = v(CuO); v(Zn) = 0,25 моль
4. Рассчитываем массу требуемого цинка:
m(Zn) = v(Zn) М(Zn);
m(Zn) = 0,25 моль 65 г/моль = 16,25 г
9.6 Железо массой 11,2 г сплавили с серой массой 6,4 г. К продукту
реакции прилили соляную кислоту (взята в избытке). Выделившийся газ
пропустили через раствор сульфата меди (II). Рассчитайте массу
полученного осадка.
Дано: m(Fe) = 11,2 г; m(S) = 6,4 г.
Определить: m(осадка).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества железа и серы, взятых для
реакции:
v(Fe)=
;
v(Fe) =
= 0,2 моль
v(S)=
v(S) =
;
= 0,2 моль
2. Составляем уравнение осуществленных реакций:
Fe + S = FeS
(а)
FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑
(б)
т.е. выделившийся газ – сероводород;
H2S + CuSO4 = CuS↓ + H2SO4
(в)
т.е. образовавшийся осадок – это сульфид меди (II).
3. Из уравнения (а) следует, что для реакции с 1 моль Fe требуется 1 моль S.
Это означает, что вещества взяты в количествах, которые прореагируют друг
с другом без остатка. Поэтому расчет можно проводить, используя как v(Fe),
так и v(S).
4. Из уравнений реакций (а), (б) и (в) следует:
v(FeS) = v(Fe);
v(H2S) = v(FeS);
v(CuS) = v(H2S)
следовательно,
v(CuS) = v(Fe); v(CuS) = 0,2 моль
5. Рассчитываем массу образовавшегося осадка:
m(CuS) = v(CuS) М(CuS);
m(CuS) = 0,2 моль 98 г/моль = 19,6 г.
Сплавы.
9.7 В некотором сплаве на 7 атомов меди приходится 1 атом олова.
Рассчитайте массовую долю меди в этом сплаве.
Дано: N(Cu) : N(Sn) = 7 : 1.
Определить: w(Cu).
Решение: 1. Выберем для расчетов образец сплава, который содержит 1
моль олова, т.е. v(Sn) = 1 моль. С учетом формулы (1.7) можно записать:
v(Sn) =
; v(Cu) =
отсюда получаем:
=
; v(Cu) = v(Sn)
;
v(Cu) = 1 моль ∙ = 7 моль
2. Рассчитываем массу меди и олова в выбранном образце сплава:
m(Cu) = v(Cu) М(Cu);
m(Cu) = 7 моль 64 г/моль = 448 г
m(Sn) = v(Sn) М(Sn);
m(Sn) = 1 моль 119 г/моль = 119 г
3. Находим массу выбранного образца сплава:
m(сплава) = m(Cu) + m(Sn);
m(сплава) = 448 г + 119 г = 567 г
4. Вычисляем массовую долю меди в сплаве:
w(Cu) =
w(Cu) =
;
% = 79,0%
9.8 Необходимо приготовить сплав олова со свинцом массой 89 г, в
котором массовая доля свинца составит 46,5%. Вычислите массу оксида
олова (IV) и оксида свинца(II), которые надо взять, чтобы при
восстановлении их углем получился требуемый сплав.
Дано: m = 89 г; w(Pb) = 46,5%.
Определить: m(SnO2); m(PbO).
Решение: 1. Определяем массу и количество вещества свинца, который
содержится в образце сплава массой 89 г:
m(Pb) =
; m(Pb) =
; v(Pb) =
v(Pb) =
= 41,4 г
= 0,2 моль
2. Находим массу и количество вещества олова, которое содержится в
сплаве:
m(Sn) = m - m(Pb); m(Sn) = 89 г – 41,4 г = 47,6 г
v(Sn) =
; v(Sn) =
= 0,4 моль
3. Составляем уравнения реакций получения олова из SnO2 и свинца из PbO:
SnO2 + 2С = Sn + СО
(а)
PbO + С = Pb + СО
(б)
4. Из уравнения реакции (а) следует:
v(SnО2) = v(Sn);
v(SnО2) = 0,4 моль
5. Определяем массу требуемого оксида олова (IV):
m(SnО2) = v(SnО2) М(SnО2);
m(SnО2) = 0,4 моль 151 г/моль = 60,4 г
6. Из уравнения (б) следует:
v(PbO) = v(Pb);
v(PbO) = 0,2 моль
7. Рассчитываем массу требуемого оксида свинца (II):
m(PbO) = v(PbO) М(PbO);
m(PbO) = 0,2 моль 223 г/моль = 44,6 г
Металлы главных подгрупп
9.9 Щелочной металл массой 1,56 г помещен в газообразный хлор (газ – в
избытке). Полученное твердое вещество растворили в воде и добавили
раствор нитрата серебра. При этом образовался осадок массой 5,74 г.
Какой металл был взят для реакции?
Дано: щелочной металл Х; m(Х) = 1,56 г; m(AgCl) = 5,74 г.
Определить: М(Х) – какой металл Х.
Решение: 1. Составляем уравнения всех осуществленных реакций, учитывая,
что металл Х относится к щелочным и проявляет степень окисления +1:
2X + Cl2 = 2XCl
(а)
XCl + AgNO3 = XNO3 + AgCl2↓
(б)
2. Находим количество вещества образовавшегося осадка – хлорида
серебра:
v(AgCl) =
; v(AgCl) =
= 0,04 моль
3. Из уравнений реакций (а) и (б) следует:
v(ХCl) = v(AgCl); v(Х) = v(ХCl),
следовательно,
v(Х) = v(AgCl); v(Х) = 0,04 моль
4. Количество вещества металла Х можно рассчитать следующим образом:
v(Х) =
5. Из п.п. 3 и 4 получаем:
; v(Х) =
=
моль
моль = 0,04; М(Х) = 39 г/моль
Следовательно, этот щелочной металл – калий.
9.10 При добавлении воды к алебастру CaSO4 ∙ 0,5H2O образуется гипс
CaSO4 ∙ 2H2O. Рассчитайте массу воды, необходимой для превращения в
гипс алебастра массой 43,5 г.
Дано: т(А) = 43,5 г (А – алебастр – CaSO4 ∙ 0,5H2O).
Определить: т(H2O).
Решение: 1. Составляем уравнение реакции превращения алебастра в гипс:
CaSO4 ∙ 0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4 ∙ 2H2O
2. Находим количество вещества алебастра, взятого для реакции:
v(А) =
v(А) =
;
= 0,3 моль
3. Из уравнения реакции следует:
v(H2O) = 1,5 ∙ v(А);
v(H2O) = 1,5 ∙ 0,3 моль = 0,45 моль
4. Рассчитываем массу воды, которая необходима для превращения
алебастра в гипс:
m(H2O) = v(H2O) М(H2O);
m(H2O) = 0,45 моль 18 г/моль = 8,1 г.
9.11 Жесткость воды обусловлена содержанием в ней гидрокарбоната
кальция. Рассчитайте массовую долю этого вещества в воде, если для
устранения жесткости в воду массой 5 кг потребовалось внести гашеную
известь массой 1,48 г.
Дано: т[Ca(OH)2] = 1,48 г; m = 5 кг = 5000 г.
Определить: w[Ca(HCO3)2].
Решение: 1. Вычисляем количество вещества извести, взятой для смягчения
воды:
v(А) =
v(А) =
;
= 0,02 моль
2. Составляем уравнение реакции между гидрокарбонатом кальция и
гидроксидом кальция:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2СаСО3 + 2Н2О
Из этого уравнения следует, что
v[Ca(HCO3)2] = v[Ca(OH)2] ;
v[Ca(HCO3)2] = 0,02 моль
3. Рассчитываем массу гидрокарбоната кальция, содержащегося в 5 кг
воды:
m[Ca(HCO3)2]= v[Ca(HCO3)2] М[Ca(HCO3)2];
m[Ca(HCO3)2] = 0,2 моль 162 г/моль = 3,24 г
4. Вычисляем массовую долю гидрокарбоната кальция в воде:
w[Ca(OH)2] =
w[Ca(OH)2] =
;
% = 0,0648%.
Металлы побочных подгрупп.
9.12 Железная пластина имеет толщину 1 мм. Определите площадь
куска этой пластины, в котором будет заключено 0,1 моль железа.
Плотность металла равна 7,87 г/см3.
Дано: l = 1 мм = 0,1 см; v(Fe) = 0,1 моль; ρ = 7,87 г/см3
Определить: S.
Решение: 1. Определяем массу пластины:
m = v(Fe) М(Fe);
m = 0,1 моль 56 г/моль = 5,6 г
2. Находим объем, который занимает пластина:
V=
≈ 0,7116 см3
; V=
3. Рассчитываем площадь куска пластины:
S=
; S=
= 7,116 см2.
9.13 Железо массой 5 г прореагировало с хлором (хлор в избытке).
Полученный хлорид растворили в воде массой 200 г. Вычислите массовую
долю соли в полученном растворе.
Дано: m(Fe) = 7 г; m(Н2О) = 200 г.
Определить: w(FeCl3).
Решение: 1. При взаимодействии железа с хлором образуется хлорид железа
(III):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
2. Рассчитываем количество вещества железа, взятого для реакции:
v(Fe) =
v(Fe) =
;
= 0,125 моль
3. Из уравнения реакции следует:
v(FeCl3) = v(Fe); v(FeCl3) = 0,125 моль
4. Вычисляем массу образовавшегося хлорида железа (III):
m(FeCl3) = v(FeCl3) М(FeCl3);
m(FeCl3) = 0,125 моль 162,5 г/моль = 20,31 г
5. Находим массу полученного раствора:
m = m(Н2О) + m(FeCl3);
m = 200 г + 20,31 г = 220,31 г
6. Рассчитываем массовую долю хлорида железа (III) в полученном
растворе:
w(FeCl3) =
w(FeCl3) =
;
% ≈ 9,22%
9.14 При действии водного раствора аммиака на раствор, содержащий
один из хлоридов железа массой 3,81 г, получили гидроксид железа, масса
которого составила 2,70 г. Определите формулу хлорида железа, который
содержался в растворе.
Дано: FeClх ; m(FeClх) = 3,81 г; m[Fe(OH)х] = 2,70 г.
Определить: x.
Решение: 1. Составляем уравнение реакции между хлоридом железа и
раствором аммиака:
FeClх + xNH4OH = Fe(OH)х ↓ + xNH4Cl
2. Молярную массу хлорида железа можно представить в следующем виде:
M(FeClх) = M(Fe) + xM(Cl);
M(FeClх) = (56 + 35,5x) г/моль
Тогда количество вещества FeClх составит:
v(FeClх) =
v(FeClх) =
3. Аналогично для Fe(OH)х получаем:
;
моль
v[Fe(OH)х] =
;
v[Fe(OH)х] =
моль
4. Из уравнения реакции следует, что
v(FeClх) = v[Fe(OH)х];
=
Из полученного уравнения находим, что x = 2. Т.е. формула хлорида железа –
FeCl2.
10. ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
10.1 Рассчитайте массу ацетата натрия CH3COONa и гидроксида
натрия, которые потребуются для получения метана объемом при
нормальных условиях 56 л.
Дано: V(CH4) = 56 л.
Определить: m(CH3COONa); m(NaOH).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества метана, который
необходимо получить:
v(CH4) =
v(CH4) =
;
= 2,5 моль
2. Составляем уравнение реакции получения метана из ацетата натрия:
CH3COONa + NaOH = CH4 + Na2CO3
3. Из уравнения реакции следует:
v(CH3COONa) = v(CH4);
v(CH3COONa) = 2,5 моль
v(NaOH) = v(CH4);
v(NaOH) = 2,5 моль
4. Рассчитываем массу требуемых ацетата натрия и гидроксида натрия:
m(CH3COONa) = v(CH3COONa) М(CH3COONa);
m(CH3COONa) = 2,5 моль 82 г/моль = 205 г
m(NaOH) = v(NaOH) ∙ M(NaOH);
m(NaOH) = 2,5 моль ∙ 40 г/моль = 100 г.
10.2 Некоторый алкан имеет относительную плотность паров по
воздуху 3,931. Определите эмпирическую формулу алкана и назовите его.
Дано: алкан CxH2x + 2; DB(CxH2x + 2) = 3,931.
Определить: x.
Решение: 1. Рассчитываем молярную массу алкана по формуле (6.4):
M(CxH2x + 2) = 29 ∙ DB(CxH2x + 2);
M(CxH2x + 2) = 29 г/моль ∙ 3,931 ≈ 114 г/моль
2. С другой стороны, молярную массу алкана можно представить в
следующем виде:
M(CxH2x + 2) = xM(C) + (2 x + 2)M(H);
M(CxH2x + 2) = [x ∙ 12 + (2x + 2) ∙ 1] г/моль = (14 x + 2) г/моль
3. Из п.п. 1 и 2 следует:
14 x + 2 = 114,
откуда x = 8. Следовательно, алкан имеет формулу C8H18. Это – октан.
10.3 При хлорировании 56 л метана (объем приведен к нормальным
условиям) получено 239 г хлороформа. Определите массовую долю выхода
продукта реакции.
Дано: V(CH4) = 56 л; mпр(CHCl3) = 239 г.
Определить: wв(CHCl3).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества метана, взятого для реакции:
v(CH4) =
v(CH4) =
;
= 2,5 моль
2. Составляем уравнение реакции хлорирования метана до хлороформа:
СН4 + 3Cl2 = CHCl3 + 3HCl
Из уравнения реакции следует, что
v(CHCl3) = v(CH4);
v(CHCl3) = 2,5 моль
3. Рассчитываем массу хлороформа, который должен был образоваться при
количественном (100%-ном) выходе:
m(CHCl3) = v(CHCl3) ∙ M(CHCl3);
m(CHCl3) = 2,5 моль ∙ 119,5 г/моль = 298,75 г
4. Рассчитываем массовую долю выхода хлороформа по формуле (1.11):
wв(CHCl3) =
;
wв(CHCl3) =
% = 80%.
11. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Алкены
11.1 Рассчитайте массу бромной воды (массовая доля брома 2,4%),
которую может обесцветить пропилен объемом 1,68 л (нормальные
условия).
Дано: V(C3H6) = 1,68 л; wв(Br2) = 2,4%.
Определить: m.
Решение: 1. Вычисляем количество вещества пропилена, взятого для
реакции:
v(C3H6) =
v(C3H6) =
;
= 0,075 моль
2. Составляем уравнение реакции между пропиленом и бромом:
CH2 = CH – CH3 + Br → CH2Br – CHBr – CH3
3. Из уравнения реакции следует:
v(Br2) = v(C3H6); v(Br2) = 2,5 моль
4. Рассчитываем массу брома, который прореагирует с пропиленом:
m(Br2) = v(Br2) ∙ M(Br2);
m(Br2) = 0,075 моль ∙ 160 г/моль = 12 г
5. Определяем массу бромной воды, которую может обесцветить
пропилен:
m=
m=
;
= 500 г
11.2 Рассчитайте объем этилена, приведенный к нормальным
условиям, который можно получить из технического этилового спирта
С2Н5ОН массой 300 г. Учтите, что технический спирт содержит примеси,
массовая доля которых равна 8%.
Дано: m(техн.спирта) = 300 г; w(примесей) = 8%.
Определить: V(С2Н4).
Решение: 1. Рассчитываем массу примесей, содержащихся в техническом
спирте:
m(примесей) =
;
m(примесей) =
= 24 г
2. Масса и количество вещества этанола в техническом спирте составляют:
m(С2Н5ОН) = m(техн.спирта) – m(примесей);
m(С2Н5ОН) = 300 г – 24 г = 276 г
v(С2Н5ОН) =
v(С2Н5ОН) =
;
= 6 моль
3. Составляем уравнение реакции получения этилена из этанола:
С2Н5ОН → С2Н4 + Н2О
Из уравнения реакции следует:
v(С2Н4) = v(С2Н5ОН);
v(С2Н4) = 6 моль
4. Вычисляем объем этилена, приведенный к нормальным условиям:
V(С2Н4) = v(С2Н4) ∙ Vm ;
V(С2Н4) = 6 моль ∙ 22,4 л/моль = 134,4 л.
11.3 Рассчитайте объем водорода, измеренный при нормальных
условиях, который может присоединить смесь газов массой 15,4 г,
содержащая этилен (массовая доля 54,5%), пропилен(27,3%) и бутилен
(18,2%).
Дано: m = 15,4 г; w(С2Н4) = 54,5%; w(С3Н6) = 27,3%; w(С4Н8) = 18,2%.
Определить: V(Н2).
Решение: 1. Рассчитываем массу каждого из газов (этилена, пропилена и
бутилена) в смеси:
m(С2Н4) =
; m(С2Н4) =
= 8,4 г
m(С3Н6) =
; m(С3Н6) =
= 4,2 г
m(С4Н8) =
; m(С4Н8) =
= 2,8 г
2. Рассчитываем количество вещества каждого из газов в смеси:
v(С2Н4) =
; v(С2Н4) =
= 0,3 моль
v(С3Н6) =
; v(С3Н6) =
= 0,1 моль
v(С4Н8) =
; v(С4Н8) =
= 0,05 моль
3. Составляем уравнения реакций всех газов с водородом:
С2Н4 + Н2 = С2Н6
(а)
С3Н6 + Н2 = С3Н8
(б)
С4Н8 + Н2 = С4Н10
(в)
4. Из уравнения реакции (а) следует:
vа(Н2) = v(С2Н4); vа(Н2) = 0,3 моль
5. Аналогично из уравнений (б) и (в) следует:
vб(Н2) = v(С3Н6); vб(Н2) = 0,1 моль
vв(Н2) = v(С4Н8); vв(Н2) = 0,05 моль
5. Определяем общее количество вещества водорода, который вступит в
реакцию с тремя газами:
v(Н2) = vа(Н2) + vб(Н2) + vв(Н2);
v(Н2) = 0,3 моль + 0,1 моль + 0,05 моль = 0,45 моль
6. Вычисляем объем водорода, приведенный к нормальным условиям:
V(Н2) = v(Н2) ∙ Vm;
V(Н2) = 0,45 моль ∙ 22,4 л/моль = 10,08 л.
Алкины
11.4 Термообработкой метана был получен ацетилен, при полном
бромировании которого было получено бромпроизводное массой 173 г.
Рассчитайте объем метана, приведенный к нормальным условиям,
который был взят для реакции.
Дано: m(Б) = 173 г (Б – полученное бромпроизводное).
Определить: V(СН4).
Решение: 1. Составляем уравнения осуществленных реакций:
2CH4 = C2H2 + 3H2
(а)
C2H2 + 2Br2 = C2H2Br4
(б)
2. Определяем количество вещества образовавшегося по реакции (б)
бромпроизводного:
v(Б) =
v(Б) =
;
= 0,5 моль
3. Из уравнения реакции (б) следует:
v(C2H2) = v(Б);
v(C2H2) = 0,5 моль
4. Из уравнения реакции (а) следует:
v(CH4) = 2v(C2H2);
v(CH4) = 2 ∙ 0,5 моль = 1 моль
5. Вычисляем объем метана, взятого для реакции:
V(СН4) = v(CH4) ∙ Vm;
V(СН4) = 1 моль ∙ 22,4 л/моль = 22,4 л.
11.5 Рассчитайте массу углеводорода, который образуется при
действии спиртового раствора щелочи на 1,2-дихлорэтан объемом 80 мл
(плотность 1,26 г/мл). Массовая доля выхода продукта равна 80%.
Дано: V(Д) = 80 мл (Д – 1,2-дихлорэтан); ρ(Д) = 1,26 г/мл; wв(С2Н2) = 80%.
Определить: тпр(С2Н2).
Решение: 1. Рассчитываем массу и количество вещества 1,2-дихлорэтана
С2Н4Cl2, взятого для реакции:
m(Д) = V(Д) ∙ ρ(Д);
m(Д) = 80 мл ∙ 1,26 г/мл = 100,8 г
v(Д) =
v(Д) =
;
= 1,018 моль
2. Составляем уравнение реакции, в результате которой образуется
ацетилен:
CH2Cl – CH2Cl + 2KOH(спиртовой) →
→ CH ≡ CH + 2KCl + 2H2O
Из уравнения следует:
v(С2Н2) = v(Д);
v(С2Н2) = 1,018 моль
3. Определяем массу ацетилена, который образовался бы при
количественном выходе:
m(С2Н2) = v(С2Н2) ∙ М(С2Н2);
m(С2Н2) = 1,018 моль ∙ 26 г/моль = 26,47 г
4. Вычисляем массу практически полученного ацетилена:
mпр(С2Н2) =
;
mпр(С2Н2) =
= 21,2 г
12. АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ.
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРДОВ.
Ароматические углеводороды.
12.1 Из циклогексана массой 9,24 г по реакции дегидрирования в
присутствии никелевого катализатора получен бензол. Рассчитайте
объем бензола, если его плотность равна 0,88 г/мл.
Дано: т(Ц) = 9,24 г (Ц – циклогексан); ρ(Б) = 0,88 г/мл (Б – бензол).
Определить: V(Б).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества циклогексана С6Н12, взятого
для реакции:
v(Ц) =
v(Ц) =
;
= 0,11 моль
2. Составляем уравнение реакции дегидрирования:
→
Из уравнения
+ 3Н2
следует, что
v(Б) = v(Ц)
v(Б) = 0,11 моль
3. Определяем массу полученного бензола С6Н6:
m(Б) = v(Б) ∙ М(Б);
m(Б) = 0,11 моль ∙ 78 г/моль = 8,58 г
4. Рассчитываем объем полученного бензола:
V(Б) =
;
V(Б) =
= 9,75 мл.
12.2 Рассчитайте объем водорода, измеренный при нормальных
условиях, который образуется при циклизации и дегидрировании до
ароматического углеводорода н-гексана объемом 200 мл и плотностью
0,66 г/мл. Реакция протекает с выходом 65% (массовая доля выхода).
Дано: V(С6Н14) = 200 мл; ρ(С6Н14) = 0,66 г/мл; wв(Н2) = 65%.
Определить: Vпр(Н2).
Решение: 1. Рассчитываем массу и количество вещества н-гексана С6Н14,
взятого для реакции:
m(С6Н14) = V(С6Н14) ∙ ρ(С6Н14);
m(С6Н14) = 200 мл ∙ 0,66 г/мл = 132г
v(С6Н14) =
v(С6Н14) =
;
= 1,535 моль
2. Составляем уравнение реакции циклизации и дегидрирования н-гексана:
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 →
+ 4Н2
Из уравнения реакции следует, что
v(Н2) = 4v(С6Н14);
v(Н2) = 4 ∙ 1,535 моль = 6,14 моль
3. Определяем массу водорода, который образовался бы при
количественном выходе:
m(Н2) = v(Н2) ∙ М(Н2);
m(Н2) = 6,14 моль ∙ 2 г/моль = 12,28 г
4. Вычисляем массу реально полученного водорода:
mпр(Н2) =
;
mпр(Н2) =
= 7,982 г
5. Рассчитываем количество вещества и объем (при нормальных условиях)
реально полученного водорода:
; vпр =
vпр =
= 3,991 моль
Vпр(Н2) = vпр(Н2) ∙ Vm;
Vпр(Н2) = 3,991 моль ∙ 22,4 л/моль = 89,4 л.
12.3 При нитровании гомолога бензола массой 4,6 г получили
нитропроизводное массой 6,85 г. Какой гомолог бензола был взят?
Дано: гомолог бензола СxН2x – 6 (ГБ); m(ГБ) = 4,6 г; m(НП) = 6,85 г (НП –
нитропроизводное гомолога бензола).
Определить: x (формулу соединения).
Решение: 1. Молярную массу гомолога бензола можно представить в
следующем виде:
M(ГБ) = xM(C) + (2x – 6) ∙ M(H);
M(ГБ) = [x ∙ 12 + (2x – 6) ∙ 1] г/моль = (14x – 6) г/моль
2. Количество вещества ГБ будет равно:
v(ГБ) =
; v(ГБ) =
= моль
3. Составляем уравнение реакции нитрования гомолога бензола:
СxН2x – 6 + HNO3 → СxН2x – 7NO2 + H2O
ГБ
НП
4. Молярная масса полученного нитропроизводного НП составит:
M(НП) = xM(C) + (2x – 7)M(H) + M(N) + 2M(O);
M(НП) = [x ∙ 12 + (2x – 7) ∙ 1 + 14 + 2 ∙ 16] г/моль;
M(НП) = (14x + 39) г/моль
5. Количество вещества НП можно выразить так:
v(НП) =
; v(НП) =
= моль
6. Из уравнения реакции нитрования следует:
v(ГБ) = v(НП);
=
Решая полученное уравнение, получаем x = 7. Таким образом, формула
гомолога бензола С7Н8 или С6Н5 – СН3. Это – толуол (метилбензол).
Природные источники углеводородов
12.4 Рассчитайте объем хлороформа (плотность 1,5 г/мл),
полученного из природного газа объемом при нормальных условиях 60 л.
Объемная доля метана в природном газе составляет 90%. Массовая доля
выхода хлороформа равна 70%.
Дано: V = 60 л; φ(СН4) = 90%; wв (CHCl3) = 70%; ρ(CHCl3) = 1,5 г/мл.
Определить: Vпр(CHCl3).
Решение: 1. Рассчитываем объем и количество вещества метана в
природном газе:
V(CH4) =
V(CH4) =
v(CH4) =
v(CH4) =
;
= 54 л
;
= 2,41 моль
2. Составляем уравнение реакции получения хлороформа:
CH4 + 3Cl2 → CHCl3 + 3НCl
Из этого уравнения следует, что
v(CHCl3) = v(CH4); v(CH4) = 2,41 моль
3. Рассчитываем массу хлороформа, который был бы получен при 100%ном выходе:
m(CHCl3) = v(CHCl3) ∙ М(CHCl3);
m(CHCl3) = 2,41 моль ∙ 119,5 г/моль = 288 г
4. Учитывая выход продукта, вычисляем массу практически полученного
хлороформа:
mпр(CHCl3) =
;
mпр(Н2) =
= 201,6 г
5. Рассчитываем объем полученного хлороформа:
Vпр(Б) =
Vпр(Б) =
;
= 134,4 мл.
13. КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ
ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Спирты
13.1 Рассчитайте объем абсолютного (безводного) этилового спирта
(плотность 0,79 г/мл), который потребуется для получения 5,55 г
диэтилового эфира.
Дано: т(ДЭ) = 5,55 г (ДЭ – диэтиловый эфир); ρ(СП) = 0,79 г/мл (СП –
этиловый спирт).
Определить: V(СП).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества диэтилового эфира С2Н5 – О –
С2Н5:
v(ДЭ) =
; v(ДЭ) =
= 0,075 моль
2. Составляем уравнение реакции получения диэтилового эфира:
2С2Н5ОН → С2Н5 – О – С2Н5 + Н2О
Из уравнения следует, что
v(СП) = 2v(ДЭ);
v(СП) = 2 ∙ 0,075 моль = 0,15 моль
3. Рассчитываем массу спирта:
m(СП) = v(СП) ∙ М(СП);
m(СП) = 0,15 моль ∙ 46 г/моль = 6,9 г
4. Определяем объем спирта, который потребуется для реакции:
V(СП) =
V(СП) =
;
= 8,73 мл.
13.2 Определите формулу предельного одноатомного спирта,
имеющего плотность 1,4 г/мл, если при дегидратации 37 мл этого спирта
получен алкен массой 39,2 г.
Дано: V(СП) = 37 мл (СП – предельный одноатомный спирт СxН2x + 1ОН); ρ(СП)
= 1,4 г/мл; m(A) = 39,2 г (А – алкен СxН2x, полученный при дегидрировании
спирта).
Определить: x (формулу спирта).
Решение: 1. Определяем массу спирта, взятого для дегидратации:
m(СП) = V(СП) ∙ ρ(СП);
m(СП) = 37 мл ∙ 1,4 г/мл = 51,8 г
2. Представляем молярную массу спирта в следующем виде:
М(СП) = xM(C) + (2x + 1)M(H) + M(O) + M(H);
М(СП) = [x ∙ 12 +(2x + 1) ∙ 1 + 16 + 1] г/моль = (14x + 18) г/моль
Тогда количество вещества спирта будет равно:
v(СП) =
; v(СП) =
= моль
3. Аналогично для алкена СxН2x (А) получаем:
М(А) = xM(C) + 2xM(H);
М(А) = (x ∙ 12 + 2x ∙ 1) г/моль = 14x г/моль
v(А) =
; v(А) =
моль
4. Составляем уравнение реакции дегидратации спирта:
СxН2x + 1ОН → СxН2x + Н2О
Отсюда следует, что
v(СП) = v(А)
или
=
Решая полученное уравнение, получаем, что x = 4. Таким образом,
формула спирта – С4Н9ОН. Это – бутанол.
Фенолы.
13.3 Рассчитайте массу 2,4,6-трибромфенола, который образуется
при действии раствора фенола массой 47 г (массовая доля фенола 10%) на
бромную воду массой 1 кг (массовая доля Br2 3,2%).
Дано: m1 = 47 г; w(Ф) = 10% (Ф – фенол); m2 = 1 кг = 1000 г; w(Br2) = 3,2%.
Определить: m(ТБФ) (ТБФ – 2,4,6-трибромфенол).
Решение: 1. Вычисляем массу и количество вещества фенола, взятого для
реакции:
m(Ф) =
; m(Ф) =
;
v(Ф) =
v(Ф) =
= 4,7 г
= 0,05 моль
2. Определяем массу и количество вещества брома, внесенного в
реакционную среду:
m(Br2) =
; m(Br2) =
v(Br2) =
;
v(Br2) =
= 32 г
= 0,2 моль
3. Составляем уравнение реакции бромирования фенола:
С6Н5ОН + 3Br2 → С6Н2Br3ОН + 3НBr
Ф
ТБФ
Из уравнения реакции следует, что с 0,05 моль фенола прореагирует 0,05
моль ∙ 3 = 0,15 моль брома. Следовательно, бром взят в избытке. Выход
продукта рассчитываем, используя количество вещества фенола (вещества,
взятого в недостатке).
4. Из уравнения реакции следует:
v(ТБФ) = v(Ф); v(ТБФ) = 0,05 моль
5. Рассчитываем массу получаемого 2,4,6-трибромфенола:
m(ТБФ) = v(ТБФ) ∙ М(ТБФ);
m(ТБФ) = 0,05 моль ∙ 331 г/моль = 16,55 г.
Альдегиды
13.4 В промышленности ацетальдегид получают по методу Кучерова.
Рассчитайте массу ацетальдегида, который можно получить из 500 кг
технического карбида кальция, массовая доля примесей в котором
составляет 10,4%. Массовая доля выхода ацетальдегида равна 75%.
Дано: m(карбида) = 500 кг; w(примесей) = 10,4%; wв(СН3СОН) = 75%.
Определить: mпр(СН3СОН).
Решение: 1. Вычисляем массу и количество вещества СаС2 в техническом
карбиде кальция:
;
m(примесей) =
m(примесей) =
= 52 кг
m(СаС2) = m(карбида) – m(примесей)
m(СаС2) = 500 кг – 52 кг = 448 кг
v(СаС2) =
= 7 кмоль
; v(СаС2) =
2. Составляем уравнение реакций получения уксусного альдегида из
карбида кальция:
СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2
(а)
С2Н2 + Н2О → СН3СОН
(б)
3. Из уравнений реакций (а) и (б) следует, что:
v(СН3СОН) = v(СаС2);
v(СН3СОН) = 7 кмоль
4. Рассчитываем массу уксусного альдегида, который был бы получен при
количественном уровне:
m(СН3СОН) = v(СН3СОН) ∙ М(СН3СОН);
m(СН3СОН) = 7 кмоль ∙ 44 кг/кмоль = 308 кг
5. Вычисляем массу ацетальдегида, который можно получить практически:
;
mпр(СН3СОН) =
mпр(СН3СОН) =
= 231 кг.
13.5 При каталитическом гидрировании формальдегида получен спирт,
при взаимодействии которого с избытком металлического натрия
образовалось 8,96 л водорода (объем приведен к нормальным условиям).
Массовая доля выхода продуктов на каждой стадии синтеза составила
80%. Определите массу формальдегида, подвергнутого гидрированию.
Дано: Vпр(H2) = 8,96 л; wв(1) = 80% (1 – 1-я стадия синтеза); wв(2) = 80% (2 – 2-я
стадия синтеза).
Определить: m(НСОН).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества и массу полученного водорода:
vпр(H2) =
; vпр(H2) =
= 0,4 моль
mпр(H2) = vпр(H2) ∙ М(H2);
mпр(H2) = 0,4 моль ∙ 2 г/моль = 0,8 г
2. Вычисляем количество вещества водорода, который образовался бы,
если бы его выход был 100%, по формуле:
wв(X) =
v(H2) =
%;
; v(H2) =
(13.1)
= 0,5 моль
3. Составляем уравнения реакций:
1-я стадия: НСОН + Н2 → СН3ОН
(а)
2-я стадия: 2СН3ОН + 2Na → 2CH3ONa + H2
(б)
4. Из уравнения реакции (б) следует:
vпр(СН3ОН) = 2v(H2);
vпр(СН3ОН) = 2 ∙ 0,5 моль = 1 моль – такое количество вещества метанола
было реально получено.
5. Вычисляем количество вещества метанола, который образовался бы при
100%-ном выходе, по формуле (13.1):
v(СН3СОН) =
v(СН3СОН) =
;
= 1,25 моль
6. Из уравнения реакции (а) следует:
v(НСОН) = v(СН3ОН);
v(НСОН) = 1,25 моль
7. Вычисляем массу формальдегида, взятого для реакции:
m(НСОН) = v(НСОН) ∙ М(НСОН);
m(НСОН) = 1,25 моль ∙ 30 г/моль = 37,5 г
13.6 Рассчитайте массу формалина (массовая доля формальдегида
40%), который можно получить, если использовать альдегид, полученный
при каталитическом окислении кислородом воздуха 392 л метана (объем
приведен к нормальным условиям). Массовая доля выхода продукта в
реакции окисления равна 44%.
Дано: w(НСОН) = 40%; V(СН4) = 392 л; wв(НСОН) = 44%.
Определить: m.
Решение: 1. Вычисляем количество вещества метана, взятого для реакции:
v(СН4) =
v(СН4) =
;
= 17,5 моль
2. Составляем уравнения реакции окисления метана:
СН4 + О2 → НСОН + Н2О
Из уравнения реакции следует:
v(НСОН) = v(СН4);
v(НСОН) = 17,5 моль
3. Рассчитываем массу альдегида, который образовался бы при
количественном выходе:
m(НСОН) = v(НСОН) ∙ М(НСОН);
m(НСОН) = 17,5 моль ∙ 30 г/моль = 525 г
4. Находим массу реально полученного альдегида:
;
mпр(НСОН) =
mпр(НСОН) =
= 231 г
5. Определяем массу формалина, который можно получить.
m=
m=
;
= 577,5 г.
Карбоновые кислоты.
13.7 Имеются два раствора уксусной кислоты, в которых массовая
доля растворенного вещества равна соответственно 90 и 10%.
Рассчитайте массу каждого из растворов, которая потребуется для
приготовления 200 г раствора кислоты с массовой долей СН3СООН 40%.
Дано: w1(CH3COOH) = 90%; w2(CH3COOH) = 10%; m = 200 г; w(CH3COOH) = 40%.
Определить: m1 и m2.
Решение: 1. Рассчитываем массу уксусной кислоты (100%-ной), которую надо
внести в 200 г раствора:
m(CH3COOH) =
mпр(CH3COOH) =
;
= 80 г
2. Обозначим массу первого раствора, который надо взять, через m1, а
второго раствора – m2. Получаем:
m2 = m – m1; m2 = (200 – m1) г
3. Определяем массу кислоты (100%-ной), которая содержится в первом
растворе:
;
m1(CH3COOH) =
m1(CH3COOH) =
г = 0,9m1 г
4. Вычисляем массу кислоты, которая содержится во втором растворе:
;
m2(CH3COOH) =
m2(CH3COOH) =
г = (20 – 0,1m1) г
5. Получаем:
m(CH3COOH) = m1(CH3COOH) + m2(CH3COOH);
80 = 0,9m1 + (20 – 0,1m1)
Отсюда m1 = 75 г.
6. Рассчитываем массу второго раствора, который надо взять:
m2 = m – m1; m2 = 200 г – 75 г = 125 г.
13.8 Рассчитайте объем метана, приведенный к нормальным
условиям, который можно получить при нагревании уксусной кислоты
массой 24 г с избытком гидроксида натрия. Массовая доля выхода метана
равна 35%.
Дано: m(CH3COOH) = 24 г; wв(CH4) = 35%.
Определить: Vпр(СН4).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества уксусной кислоты, которая
взята для реакции:
v(CH3COOH) =
;
v(CH3COOH) =
= 0,4 моль
2. Составляем уравнение реакции:
СН3СООН + 2NaOH → CH4 + Na2CO3 + H2O
Из этого уравнения следует:
v(CH4) = v(CH3COOH);
v(CH4) = 0,4 моль
3. Рассчитываем количество вещества реально полученного метана по
формуле (13.1):
;
vпр(СН4) =
vпр(СН4) =
= 0,14 моль
4. Вычисляем объем практически полученного водорода:
Vпр(CH4) = vпр(CH4) ∙ Vm;
Vпр(CH4) = 0,14 моль ∙ 22,4 л/моль = 3,14 л.
13.9 При пропускании хлора в раствор уксусной кислоты (массовая доля
СН3СООН равна 75%) получена хлоруксусная кислота. Определите ее
массовую долю в растворе, считая, что избыточный хлор и хлороводород
удалены из него.
Дано: w(СН3СООН) = 75%.
Определить: w(СН2ClСООН).
Решение: 1. Выберем для расчета образец раствора уксусной кислоты
массой 1000 г, т.е. m = 1000 г. Вычисляем массу и количество вещества
СН3СООН, которая содержится в этом образце:
m(СН3СООН) =
;
m(СН3СООН) =
= 750 г
v(СН3СООН) =
v(СН3СООН) =
;
= 12,5 моль
2. Составляем уравнение реакции хлорирования уксусной кислоты:
СН3СООН + Cl2 → СН2ClСООН + НCl
Из этого уравнения следует, что
v(СН2ClСООН) = v(СН3СООН);
v(СН2ClСООН) = 12,5 моль
3. Масса полученной хлоруксусной кислоты составляет:
m(СН2ClСООН) = v(СН2ClСООН) ∙ М(СН2ClСООН);
m(СН2ClСООН) = 12,5 моль ∙ 94,5 г/моль = 1181,25 г
4. Масса раствора после реакции m’ изменится за счет того, что вместо
уксусной кислоты в нем появилась хлоруксусная:
m’ = m – m(СН3СООН) + m(СН2ClСООН);
m’ = 1000 г – 750 г + 1181,25 г = 1431,25 г
5. Вычисляем массовую долю хлоруксусной кислоты в полученном
растворе:
w(СН2ClСООН) =
w(СН2ClСООН) =
;
% = 82,5%.
Сложные эфиры
13.10 При нагревании метанола массой 2,4 г и уксусной кислоты массой
3,6 г получен метилацетат массой 3,7 г. Определите массовую долю
выхода эфира.
Дано: m(CH3OH) = 2,4 г; m(CH3COOH) = 3,6 г; mпр(CH3COOCH3) = 3,7 г.
Определить: wa(CH3COOCH3).
Решение: 1. Вычисляем количество вещества метанола, взятого для реакции:
v(СН3ОН) =
v(СН3ОН) =
;
= 0,075 моль
2. Находим количество вещества уксусной кислоты:
v(СН3СООН) =
v(СН3СООН) =
;
= 0,06 моль
3. Составляем уравнение реакции этерификации:
СН3СООН + СН3ОН → СН3СООСН3 + Н2О
Из уравнения реакции следует, что для реакции с 0,06 моль уксусной
кислоты требуется 0,06 моль метанола, т.е. спирт взят в избытке. Расчет
выхода продукта надо вести, используя количество вещества уксусной
кислоты.
4. Из уравнения реакции следует:
v(СН3СООСН3) = v(СН3СООН);
v(СН3СООСН3) = 0,06 моль
5. Вычисляем массу метилацетата, который образовался бы при
количественном выходе:
m(СН3СООСН3) = v(СН3СООСН3) ∙ М(СН3СООСН3);
m(СН3СООСН3) = 0,06 моль ∙ 74 г/моль = 4,44 г
6. Рассчитываем массовую долю выхода метилацетата:
wв(CH3COOH) =
wв(CH3COOH) =
;
% ≈ 83,3%.
13.11 Рассчитайте массу пропанола-1 и муравьиной кислоты, которые
надо взять для получения пропилформиата объемом 200 мл (плотность
эфира равна 0,906 г/мл).
Дано: V(ПФ) = 200 мл (ПФ – пропилформиат); ρ(ПФ) = 0,906 г/мл.
Определить: m(П-1) (пропанол-1); m(МК) (МК – муравьиная кислота).
Решение: 1. Определяем массу и количество вещества пропилформиата
НСООС3Н7, который надо получить:
m(ПФ) = V(ПФ) ∙ ρ(ПФ);
m(ПФ) = 200 мл ∙ 0,906 г/мл = 181,2 г
v(ПФ) =
= 2,059 моль
; v(ПФ) =
2. Составляем уравнение реакции этерификации:
НСООН + СН3СН2СН2ОН → НСООС3Н7 + Н2О
МК
П-1
ПФ
3. Определяем количество вещества и массу муравьиной кислоты, которую
надо взять для реакции. Из уравнения реакции следует:
v(МК) = v(ПФ);
v(МК) = 2,059 моль
m(МК) = v(МК) ∙ М(МК);
m(МК) = 2,059 моль ∙ 46 г/моль = 94,7 г
4. Аналогично находим количество вещества и массу требуемого
пропанола-1:
v(П-1) = v(ПФ);
v(П-1) = 2,059 моль
m(П-1) = v(П-1) ∙ М(П-1);
m(П-1) = 2,059 моль ∙ 60 г/моль = 123,5 г.
Углеводы.
13.12 Массовая доля крахмала в картофеле равна 20%. Рассчитайте массу
глюкозы, которую можно получить из 891 кг картофеля. Выход продукта
реакции примите равным 50%.
Дано: w(КР) = 20% (КР – крахмал); m= 891 кг; wв(ГЛ) = 50% (ГЛ – глюкоза).
Определить: mпр(ГЛ).
Решение: 1. Вычисляем массу крахмала, который содержится в крахмале с
примесями:
m(КР) =
m(КР) =
;
= 178,2 кг
2. Формула крахмала – (С6Н10О5)x. Его молярную массу можно представить в
следующем виде:
M(КР) = x[6 ∙ M(C) + 10 ∙ M(H) + 5 ∙ M(O)];
M(КР) = 162x кг/кмоль
3. Находим количество вещества крахмала:
v(КР) =
v(КР) =
;
=
кмоль
4. Составляем уравнение реакции получения глюкозы из крахмала:
(C6H10O5)x + xH2O → xC6H12O6
КР
ГЛ
Из уравнения реакции следует:
v(ГЛ) = xv(КР);
v(ГЛ) = x ∙
кмоль = 1,1 кмоль
5. Рассчитываем массу глюкозы, которая была бы получена при 100%-ном
выходе:
m(ГЛ) = v(ГЛ) ∙ М(ГЛ);
m(ГЛ) = 1,1 кмоль ∙ 180 кг/кмоль = 198 кг
6. Находим массу практически полученной глюкозы:
mпр(ГЛ) =
;
mпр(ГЛ) =
= 99 кг.
13.13 При гидролизе крахмала массой 324 г получена глюкоза (массовая
доля выхода 80%), которая подвергнута спиртовому брожению. Выход
продукта брожения составил 75%. В результате осуществления процесса
получен водный раствор спирта массой 600 г. Определите массовую долю
этанола в этом растворе.
Дано: m(КР) = 324 г (КР – крахмал); wв(ГЛ) = 80% (ГЛ – глюкоза); wв(ЭТ) = 75%
(ЭТ – этанол); m = 600 г.
Определить: w(ЭТ).
Решение: 1. Рассчитываем количество вещества крахмала (С6Н10О5)x, которое
взято для реакции:
M(КР) = x[6 ∙ M(C) + 10 ∙ M(H) + 5 ∙ M(O)];
M(КР) = 162x кг/кмоль
v(КР) =
v(КР) =
;
=
моль
2.Составляем уравнения реакций гидролиза крахмала до глюкозы и
спиртового брожения глюкозы:
(С6Н10О5)x + xН2О → xС6Н12О6
(а)
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2
(б)
3. Из уравнения реакции (а) следует:
v(ГЛ) = xv(КР);
v(ГЛ) = x ∙
моль = 2 моль
С учетом массовой доли выхода по формуле (13.1) находим:
;
vпр(ГЛ) =
vпр(ГЛ) =
= 1,6 моль
4. Из уравнения реакции (б) следует:
v(ЭТ) = 2v(ГЛ);
v(ЭТ) = 2 ∙ 1,6 моль = 3,2 моль
Учитывая выход продукта, получаем:
vпр(ЭТ) =
vпр(ГЛ) =
;
= 2,4 моль
5. Рассчитываем массу практически полученного этанола:
mпр(ЭТ) = vпр(ЭТ) ∙ М(ЭТ);
mпр(ЭТ) = 2,4 моль ∙ 46 г/моль = 110,4 г
6. Вычисляем массовую долю этанола в полученном растворе:
w(ЭТ) =
w(ЭТ) =
;
% = 18,4%.
14. АЗОТОСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
14.1 Первичный амин образует с бромоводородом соль, массовая доля
брома в которой составляет 71,4%. Определите формулу амина и
назовите его.
Дано: w(Br) = 71,4%; первичный амин CxH2x + 1NH2(A).
Определить: x(формулу амина).
Решение: 1. Соль амина с бромоводородом имеет вид:
[CxH2x + 1NH3]Br
Молярную массу этой соли можно представить в следующем виде:
М(соли) = xМ(С) + (2х + 1)М(Н) + М(N) + 3М(Н) + М(Br)
М(соли) = [x ∙ 12 + (2x + 1)∙ 1 + 14 + 3∙ 1 + 80] г/моль = (14x + 98) г/моль
2. Выберем для расчетов образец соли массой 100 г, т.е. m(соли) = 100 г.
Тогда масса и количество вещества брома в этом образце составят:
m(Br) =
v(Br) =
;
;
m(Br) =
v(Br) =
= 71,4 г
= 0,8925 моль
3. Количество вещества соли амина составит:
v(соли) =
;
v(соли) =
моль
4. Из формулы соли следует, что
v(Br) = v(соли);
0,8925 моль =
Отсюда следует, что x ≈ 1, т.е. формула исходного амина СН3NH2. Это –
метиламин.
14.2 При действии избытка раствора гидроксида натрия на раствор
хлорида фениламмония массой 250 г получен анилин, на бромирование
которого затрачен бром массой 72 г. Массовая доля хлорида
фениламмония в исходном растворе составляла 10%. Определите
массовую долю выхода анилина.
Дано: m = 250 г; w(ХФ) = 10% (ХФ – хлорид фениламмония); m(Br2) = 72 г.
Определить: wв(А) (А – анилин).
Решение: 1. Вычисляем массу и количество вещества хлорида
фениламмония С6Н5 – NН2 ∙ HCl в растворе:
m(ХФ) =
v(ХФ) =
;
;
m(ХФ) =
v(ХФ) =
= 25 г
= 0,193 моль
2. Составляем уравнения осуществленных реакций:
С6H5 – NH2 ∙ HCl + NaOH → NH2 + NaCl + H2O
(а)
C6H5 – NH2 + 3Br2 → C6H2Br3 – NH2 + 3HBr
(б)
3. Из уравнения реакции (а) следует:
v(А) = v(ХФ); v(А) = 0,193 моль
4. Вычисляем количество вещества брома, вступившего в реакцию:
v(Br2) =
;
v(Br2) =
= 0,45 моль
5. Из уравнения реакции (б) следует, что
vпр(A) = v(Br2); vпр(A) = 0,45 моль = 0,15 моль –
такое количество вещества анилина образовалось и прореагировало с
бромом.
6. Рассчитываем массовую долю выхода анилина по формуле (13.1):
w(A) =
w(A) =
;
% ≈ 77,7%.
14.3 Из уксусной кислоты массой 27 г получена хлоруксусная кислота,
массовая доля выхода продукта составила 60%. Через раствор
хлоруксусной кислоты пропущен аммиак объемом 6,72 л (объем измерен
при нормальных условиях). Вычислите количество вещества
аминоуксусной кислоты, которая была получена в результате реакции.
Дано: m(УК) = 27 г (УК – уксусная кислота); wв(ХК) = 60% (ХК – хлоруксусная
кислота); V(NH3) = 6,72 л.
Определить: v(АК) (АК – аминоуксусная кислота).
Решение: 1. Определяем количество вещества уксусной кислоты, взятой для
реакции:
v(УК) =
;
v(УК) =
= 0,45 моль
2. Составляем уравнения осуществленных реакций. Хлорирование уксусной
кислоты:
СН3 – СООН + Сl2 → CH2Cl – COOH + HCl
(а)
Взаимодействие хлоруксусной кислоты с аммиаком:
CH2Cl – COOH + NH3 → CH2(NH2) – COOH + HCl
(б)
3. По уравнению реакции (а) находим количество вещества ХК, которая
образовалась бы при 100%-ном выходе:
v(ХК) = v(УК); v(ХК) = 0,45 моль
4. Вычисляем количество вещества практически полученной ХК, используя
формулу (13.1):
;
vпр(ХК) =
vпр(ХК) =
= 0,27 моль
5. Рассчитываем количество вещества аммиака, взятого для реакции:
v(NH3) =
;
v(СН4) =
= 0,3 моль
6. Из уравнения реакции (б) следует, что для реакции с 0,3 моль аммиака
требуется 0,3 моль хлоруксусной кислоты. Следовательно, аммиак взят в
избытке. Поэтому, как следует из уравнения реакции (б):
v(ХК) = vпр(ХК);
v(АК) = 0,27 моль