Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

Тема 4. Неорганічні речовини та їхні властивості

Люди під час поступового вивчення речовини опановують її, точніше й точніше роблять стосовно неї передбачення, підтверджувані дійсністю, ширше й частіше використовують її для своїх потреб, і немає приводу бачити десь межу пізнання й володіння речовиною.

Д. І. Менделєєв

§ 14. Обчислення кількості речовини, маси або об’єму продукту за рівнянням хімічної реакції, якщо один з реагентів взято в надлишку

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • обчислювати кількість речовини, масу або об’єм продукту за рівнянням хімічної реакції, якщо один з реагентів взято в надлишку;
  • обґрунтовувати вибраний спосіб розв’язування.

Обчислювати кількість (об’єм, масу) продукту реакції за масами (об’ємом, кількістю речовини) реагентів, один з яких узято в надлишку, потрібно за тією речовиною, яка повністю витратиться внаслідок реакції. Адже друга сполука прореагує лише частково - її надлишок не реагуватиме. Тобто кількість продукту реакції буде прямо пропорційна кількості реагенту, що прореагує повністю. Ці співвідношення змодельовано на рисунку 14.1.

Рис. 14.1. А. Для виготовлення смачної вітамінної канапки знадобляться бісквітна основа (1 штука), свіжі вишні (3 штуки) та малиновий сироп (1 десертна ложка). Б. З п’яти бісквітних основ, трьох пар вишень та чотирьох ложок сиропу згідно з рецептом можна виготовити лише дві канапки. Тож дві ложки сиропу та три бісквітні основи є надлишком

Майбутнім кондитерам і кондитеркам, наприклад, неважко збагнути: якщо для виготовлення солодкої канапки потрібні бісквітна основа, три вишні та ложка малинового сиропу, то з п’яти бісквітних основ, трьох пар вишень і чотирьох ложок сиропу згідно з рецептом можна виготовити лише дві повноцінні канапки. Дві ложки сиропу та три бісквітні основи залишаться невикористаними.

Цікаво і пізнавально

Стехіометрія (від дав.-грец. στοιχειον - елемент та μετρειν - вимірювати) - розділ хімії про кількісні співвідношення реагентів у хімічних реакціях. Співвідношення кількостей реагентів, що дорівнюють співвідношенням коефіцієнтів у стехіометричному рівнянні реакції, називають стехіометричними.

З огляду на здобуті уявлення розгляньмо реакцію азоту з воднем. Узаємодію цих речовин описують хімічним рівнянням:

Ν2 + 3Н2 = 2ΝΗ3.

Відповідно до стехіометричних коефіцієнтів кількість речовини водню втричі більша за кількість речовини азоту. Кількість речовини продукту реакції (амоніаку) удвічі більша за кількість речовини азоту й становить дві третини від кількості речовини водню:

За рисунком 14.2 нескладно визначити, який з реагентів узято в надлишку. Очевидно, що в одиничному акті реакції бере участь молекула азоту та три молекули водню. Тобто азот витратиться повністю, а три молекули водню є надлишком цього реагенту

Рис. 14.2. Який з реагентів узято в надлишку?

Оскільки рівні об’єми різних газів за однакових умов містять однакову кількість молекул, можна обґрунтовано стверджувати, що співвідношення між об’ємами реагентів і продукту цієї реакції такі:

Алгоритм розв’язування задач цього типу наведено на рисунку 14.3.

Рис. 14.3. Алгоритм обчислення маси (об’єму, кількості речовини) продукту реакції за масами (об’ємом, кількістю речовини) реагентів, один з яких узято в надлишку

Використаймо цей алгоритм для розв'язування задач.

Задача 1. Обчисліть масу (г) води, яка утвориться внаслідок вибуху газової суміші, що складається з водню об’ємом 0,56 л (н. у.) і кисню такого самого об’єму (н. у.) (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Вибух суміші водню з киснем

За умовою задачі складімо рівняння реакції:

2 + О2 = 2Н2О.

Обчислімо кількості речовини реагентів:

n(Н2) = n(О2) = 0,56 л : 22,4 л/моль = 0,025 моль.

Визначмо за стехіометричними коефіцієнтами співвідношення між кількостями речовин реагентів, щоби з’ясувати, який з них узято в надлишку:

n(Н2) : n(О2) : n(Н2О) = 2:1:2, тобто n(Н2) = 2n(О2).

За умовою кількість речовини кисню становить 0,025 моль, тож кількість речовини водню, з яким він реагує, мала б становити 0,05 моль. За умовою кількість речовини водню дорівнює 0,025 моль, отже, він витратиться повністю, а кисень буде у надлишку.

Обчислімо кількість речовини продукту реакції за кількістю речовини реагенту, який під час реакції витратиться повністю. За хімічним рівнянням n(Н2О) = n(Н2). Тобто n(Н2О) = 0,025 моль.

За умовою задачі маса продукту реакції дорівнюватиме:

m(Н2O) = 0,025 моль · 18 г/моль = 0,45 г.

Відповідь: m(Н2О) = 0,45 г

Розв’яжіть цю задачу, використавши закон об’ємних відношень газів.

Задача 2. Обчисліть масу (г) плюмбум(ІІ) йодиду, який утвориться внаслідок змішування двох водних розчинів (рис. 14.5), один з яких містить плюмбум(ІІ) нітрат масою 66,2 г, а другий - калій йодид масою 33,2 г.

Рис. 14.5. Унаслідок реакції між калій йодидом (1) та плюмбум(ІІ) нітратом (2) утворюється яскраво-жовтий осад плюмбум(ІІ) йодиду (3)

За умовою задачі складімо рівняння реакції:

2КI + Pb(NO3)2 = РbI2↓ + 2KNO3.

Обчислімо кількості речовин (моль) реагентів:

n(КІ) = 33,2 г : 166 г/моль = 0,2 моль.

n(Pb(NO3)2) = 66,2 г : 331 г/моль = 0,2 моль.

За умовою задачі кількість речовини плюмбум(ІІ) нітрату становить 0,2 моль, тож кількість речовини калій йодиду, з яким він реагує, мала б становити 0,4 моль. Тобто плюмбум(ІІ) нітрат буде у надлишку.

Обчислімо кількість речовини продукту реакції за кількістю речовини реагенту, який під час реакції витратиться повністю.

За хімічним рівнянням

Обчислімо згідно з умовою задачі масу продукту реакції за його кількістю речовини:

m(РbI2) = 0,1 моль · 461г/моль = 46,1 г.

Відповідь: m(РbI2) = 46,1 г.

Задача 3. Обчисліть масу (г) солі, яка утвориться внаслідок добавляння до водного розчину масою 100 г з масовою часткою натрій гідроксиду 0,2 водного розчину нітратної кислоти масою 126 г з масовою часткою розчиненої речовини 10 %. Визначте колір лакмусу в розчині, який утвориться внаслідок реакції.

За умовою задачі складімо рівняння реакції:

NaOH + HNO3 = NaNO3 + Н2О.

Обчислімо маси реагентів та їхні кількості речовин. Маса розчиненої речовини дорівнює добутку її масової частки в розчині на його масу:

m(NaOH) = 0,2 · 100 г = 20 г;

n(NaOH) = 20 г : 40 г/моль = 0,5 моль;

m(HNO3) = 0,1 · 126 г = 12,6 г;

n(HNO3) = 12,6 г : 63 г/моль = 0,2 моль.

Визначмо за стехіометричними коефіцієнтами співвідношення між кількостями речовин реагентів, щоб з’ясувати, який з них узято в надлишку:

n(NaOH) : n(HNO3) : n(NaNO3) = 1:1:1,

тобто n(NaOH) = n(HNO3) = n(NaNO3).

За умовою задачі кількість речовини натрій гідроксиду становить 0,5 моль, тож кількість речовини нітратної кислоти, з якою він реагує, мала б також становити 0,5 моль. Натрій гідроксид - у надлишку. Тому розчин, який утвориться внаслідок реакції, матиме надлишок гідроксид-аніонів, тож лакмус у ньому набуде синього кольору.

Обчислімо кількість речовини продукту реакції за кількістю речовини (моль) реагенту, який під час реакції витратиться повністю. За хімічним рівнянням

n(NaNO3) = n(HNO3), тобто n(NaNO3) = 0,2 моль.

Обчислімо згідно з умовою задачі масу продукту реакції за його кількістю речовини:

m(NaNO3) = 0,2 моль · 85 г/моль = 17 г.

Відповідь: m(NaNO3) = 17 г

Зверніть увагу: задачі цього типу траплятимуться вам далі в підручнику, тож матимете нагоду застосувати для їхнього розв’язування знання та вміння, здобуті під час опрацювання цього параграфа.

http://www.redlandstudios.com/chemistry-limiting-reactant/

https://www.youtube.com/watch?v=ymCZ2ShhBAw

https://www.youtube.com/watch?v=6MHSBs-ed2I

https://www.youtube.com/watch?v=vAe2MImoLBY

ГОЛОВНЕ

• Обчислювати кількість речовини (масу, об’єму) продукту реакції потрібно за кількістю (масою, об’ємом) тієї речовини, яка повністю витратиться внаслідок реакції.

• Алгоритм розв’язування задач цього типу наведено на рисунку 14.3.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Більшість учнівства одинадцятого класу сумлінно розв’язувала задачі на обчислення маси (об’єму, кількості) продукту реакції за масами (об’ємом, кількістю речовини) реагентів, один з яких узято в надлишку. Проте кілька юнаків і юнок зауважили: «Навіщо марнувати стільки часу на виконання домашнього завдання, адже є комп’ютерна програма BestChem, за допомогою якої відповіді можна одержати майже миттєво?». їхні опоненти й опонентки не знайшли, що відповісти. Допоможіть їм переконати однокласників і однокласниць управлятися в розв’язуванні задач цього типу.
  • 3. Обчисліть: а) об’єм (л) гідроген хлориду, який утвориться внаслідок реакції, для проведення якої взято водень об’ємом 1,2 л і хлор об’ємом 2,4 л (об’єми всіх газів виміряно за однакових умов); б) масу (г) осаду, який утвориться внаслідок змішування двох водних розчинів, один з яких містить аргентум(І) нітрат масою 17 г, а другий - натрій хлорид кількістю 0,2 моль; в) масу (г) натрій хлориду, для добування якого взято натрій масою 0,46 г і хлор об’ємом (н. у.) 1,12 л.; г) масу (г) осаду, який утвориться внаслідок змішування водного розчину масою 800 г з масовою часткою натрій сульфату 0,142 з водним розчином масою 400 г з масовою часткою барій нітрату 26,1 %.
  • 4. Складіть і розв’яжіть задачі на обчислення кількості речовини (маси, об’єму) продукту реакції за кількістю речовини (масами, об’ємами) реагентів, один з яких узято в надлишку. Запропонуйте однокласникам та однокласницям розв’язати їх. Чи збіглися ваші розв’язання та відповіді?
  • 5*. У математиці є багато підходів до розв’язування задач - алгебричний, графічний тощо. З’ясуйте, чи можна задачі, розглянуті в цьому параграфі, розв’язати в інші способи. За результатами дослідження підготуйте презентацію.
  • 6*. Напишіть комп’ютерну програму для розв’язування хімічних задач вивченого типу.

Творча майстерня

  • 7. Виконайте попередні розрахунки, сплануйте та проведіть дослід, який би наочно продемонстрував, що кількість продукту реакції залежить від кількості реагенту, прореагує повністю. Використайте для проведення досліду пластикові пляшки, гумові повітряні кульки, харчову соду, столовий оцет, саморобні індикатори.