Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 29. Обчислення кількості речовини, маси або об'єму продукту за рівнянням хімічної реакції, якщо один із реагентів взято в надлишку

Яку б кількість, масу чи об'єм реагентів не взяли, продукти реакції завжди утворюються згідно з кількісним відношенням речовин у хімічному рівнянні. Наприклад, магній оксид взаємодіє з нітратною кислотою з утворенням солі й води:

MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2+ H2O.

Коефіцієнти перед формулами реагентів свідчать про те, що речовини взаємодіють без залишку, якщо для проведення реакції магній оксид і нітратну кислоту брати в кількісному відношенні

1 моль : 2 моль.

Якщо ж кількість речовини одного з реагентів буде меншою за властиве рівнянню цієї реакції кількісне відношення 1 : 2, то він прореагує повністю, тоді як другого реагенту якась порція залишиться. Про такий реагент кажуть, що його узято в надлишку.

Розв'язання задачі, в умові якої вказані маса, об'єм чи кількість речовини обох реагентів, потребує з'ясування кількісного відношення речовин. І якщо з'ясується, що одного з них узяли в надлишку, то задачу розв'язують, користуючись даними про речовину, що перебуває в недостачі.

Задача 1. Обчисліть масу осаду, який утвориться з барій хлориду масою 41,6 г і натрій сульфату масою 42,6 г.

Розв'язання

1. Запишемо скорочено умову задачі.

2. Складемо рівняння реакції.

3. З'ясуємо кількісні відношення реагентів і нерозчинного продукту за рівнянням реакції.

ν (BaCl2) : ν (Na2SO4) : ν (BaSO4) = 1 : 1 : 1

4. З'ясуємо кількісні відношення реагентів за умовою задачі.

Для цього спочатку обчислимо кількість речовини кожного реагенту за формулою

Відношення реагентів виявилося таким:

ν (BaCl2) : ν (Na2SO4) = 0,2 : 0,3 = 2 : 3 = 1 : 1,5.

Як бачимо, за умовою задачі з надлишком узяли натрій сульфат Na2SO4, відтак барій хлорид BaCl2 прореагує без залишку (повністю). Тому масу утвореного осаду барій сульфату BaSO4 потрібно обчислювати з використанням відомостей про барій хлорид.

5. Обчислюємо кількість речовини барій сульфату, що утворився.

Оскільки кількісні відношення ν (BaCl2) : ν (BaSO4) у цій реакції становлять 1 : 1, то:

ν (BaSO4) = ν (BaCl2) = 0,2 моль.

6. Обчислюємо масу барій сульфату кількістю речовини 0,2 моль за формулою m = ν · М:

m (BaSO4) = 0,2 моль · 233 г/моль = 46,6 г.

Примітка. А що відбулося з натрій сульфатом масою 42,6 г, кількість речовини якого дорівнювала 0,3 моль? Згідно з кількісними відношеннями 0,2 моль натрій сульфату витратилося під час реакції, а 0,1 моль залишилося.

Якщо за умовою задачі один з реагентів взяли в надлишку, потрібно обов'язково розглядати можливість подальшої його взаємодії з утвореним продуктом реакції.

Солі взаємодіють між собою лише за умови, що вони обидві розчинні у воді (реакції йонного обміну відбуваються тільки між електролітами). Барій сульфат — нерозчинна сіль. Отже, подальша взаємодія продукту реакції із залишком реагенту натрій сульфату неможлива.

Відповідь: маса утвореного осаду барій сульфату дорівнює 46,6 г.

Задача 2. Який об'єм гідроген хлориду можна одержати в результаті реакції водню об'ємом 224 л (н. у.) з хлором масою 284 г?

Розв'язання

1. Запишемо скорочено умову задачі.

2. Запишемо рівняння реакції і розглянемо кількісні відношення речовин у ньому:

За рівнянням ν (H2) : ν (Cl2) : ν (2HCl) = 1 : 1 : 2

3. Встановимо кількісні відношення речовин за рівнянням реакції, з'ясуємо їх за умовою задачі.

Спочатку за формулою

обчислимо кількість речовини водню об'ємом 224 л (н. у.):

4. За формулою

обчислимо кількість речовини хлору масою 284 г.

5. Визначимо кількісні відношення реагентів за умовою задачі:

ν (H2) : ν (Cl2) = 10 : 4.

Порівнявши кількісне відношення водню і хлору за умовою задачі з відношенням цих речовин за рівнянням реакції, робимо висновок, що реагент водень взятий в надлишку. Тому подальші обчислення здійснюватимемо за хлором.

6. Обчислимо кількість речовини гідроген хлориду, що утворився внаслідок реакції:

ν HCl = 2ν (Cl2) = 2 · 4 = 8 (моль).

7. Обчислимо об'єм гідроген хлориду:

V (HCl) = Vm · ν = 22,4 · 8 = 179,2 (л).

Відповідь: об'єм одержаного гідроген хлориду дорівнює 179,2 л.

Задача 3. Обчисліть масу солей, утворених унаслідок реакції натрій гідроксиду масою 5 г з ортофосфатною кислотою масою 9,8 г.

Розв'язання

1. Зробимо скорочений запис умови задачі.

2. Складемо рівняння можливої взаємодії речовин.

Оскільки ортофосфатна кислота належить до трьохосновних кислот, то може утворювати три солі — одну середню (ортофосфат) і дві кислі (гідрогенортофосфат та дигідрогенортофосфат).

3. З'ясуємо кількісні відношення реагентів і продуктів реакції за кожним рівнянням реакції.

Рівняння а)

ν (NaOH) : ν (Н3РО4) : ν (Na3PO4) = 3 : 1 : 1

Рівняння б)

ν (NaOH) : ν (Н3РО4) : ν (Na3PO4) = 2 : 1 : 1

Рівняння в)

ν (NaOH) : ν (H3PO4) : ν (Na3PO4) = 1 : 1 : 1

4. З'ясуємо кількісні відношення реагентів реакції за умовою задачі.

ν (NaOH) = 5 : 40 = 0,125 (моль)

ν (Н3РО4) = 9,8 : 98 = 0,1 (моль)

0,125 : 0,1 або 1,25 : 1

Установлене відношення не має точної відповідності із жодним рівнянням реакції. Тому розпочинаємо обчислювати масу солі за рівнянням, яке найбільше відповідає відношенню реагентів за умовою задачі. Це рівняння в).

Неважко зрозуміти, що за цим рівнянням натрій гідроксид перебуває в надлишку.

Залишок натрій гідроксиду становить:

0,125 моль — 0,1 моль = 0,025 моль.

5. Обчислимо кількість речовини натрій дигідрогенортофосфату за рівнянням в).

Як видно з рівняння в), ν (NaН2РO4) = ν (Н3РО4), тому ν (NaН2РO4) = 0,1 моль.

6. Розглянемо можливість подальшої взаємодії утвореної солі і реагенту, що взятий з надлишком.

Натрій гідроксид, що залишився у кількості 0,025 моль, продовжить взаємодію з утвореною сіллю. Утвориться інша кисла сіль (рівняння г)) — натрій гідрогенортофосфат.

Після реакції за рівнянням г) натрій гідроксиду не залишиться, тоді як натрій дигідрогенортофосфат перебуватиме в надлишку, оскільки за наявності його в кількості 0,1 моль з лугом прореагувало лише 0,025 моль.

0,1 - 0,025 = 0,075 (моль)

7. Обчислимо кількість речовини солей після закінчення взаємодії.

ν (Na2HPO4) = ν (NaOH) = 0,025 (моль)

Утворених солей дві: натрій дигідрогенортофосфат кількістю речовини 0,075 моль і натрій гідрогенортофосфат кількістю речовини 0,025 моль.

8. Обчислимо масу утворених солей.

Відповідь: 9 г натрій дигідрогенортофосфату і 3,55 г натрій гідрогенортофосфату.

Знаємо, розуміємо

  • 1. За якими формулами обчислюють кількість речовини?
  • 2. Як визначити кількісні відношення речовин за рівнянням реакції та за умовою задачі?
  • 3. У чому полягає відмінність задач на обчислення кількості речовини, маси або об'єму продукту за рівнянням хімічної реакції, якщо один із реагентів взяли в надлишку, від інших типів розрахунків за рівняннями реакцій?

Застосовуємо

  • 1. Обчисліть масу амоній сульфату, який утвориться під час пропускання через розчин сульфатної кислоти масою 200 г з масовою часткою розчиненої речовини 9,8 % амоніаку об'ємом 11,2 л (н. у.).
  • 2. У посудину з вапняною водою, маса кальцій гідроксиду в якій становить 3,7 г, пропустили вуглекислий газ об'ємом 3,36 л (н. у.). Прозорим чи каламутним буде вміст посудини після завершення реакції?
  • 3*. Яка сіль утвориться внаслідок взаємодії розчину натрій гідроксиду масою 50 г з масовою часткою лугу 16 % і розчину ортофосфатної кислоти масою 200 г з масовою часткою розчиненої речовини 9,8 %?
  • 4*. На цинк хлорид масою 13,6 г подіяли натрій гідроксидом масою 10 г. Обчисліть масу осаду після закінчення взаємодії речовин.