Решение задач по химическим уравнениям реакций

Большинство задач по химии связано с расчётами по уравнениям реакций. Остановимся на некоторых особенностях составления алгебраических уравнений и неравенств при решении подобных задач.

Алгебраические уравнения составляют на основе уравнений реакций. Последние дают представление о стехиометрических отношениях взаимодействующих и образующихся в реакции веществ. Чаще всего алгебраические уравнения составляют, учитывая соотношение количеств веществ соединений, участвующих в реакции, и используя зависимость n = m / M, где М – молярная масса (в г/ моль). Иногда алгебраические уравнения записывают в виде равенства масс определённого химического элемента в соединениях, вступивших в реакцию, и в конечных продуктах. Для однозначного решения задачи число уравнений должно равняться числу неизвестных величин, фигурирующих в уравнениях.

Задача № 1. При сгорании смеси муравьиной, уксусной и щавелевой кислот образуется 2,016 л углекислого газа (н.у.). На нейтрализацию такой же смеси кислот требуется 200 г 1,4%-ного раствора гидроксида натрия. Найти массу уксусной кислоты в исходной смеси.

Уравнения реакций сгорания муравьиной, уксусной и щавелевой кислот:

х х

2Н СООН + 2С + 2 О (1)

у 2у

С СООН + 2 2С + 2 О (2)

z 2z

2 + 4С + 2 О (3)

Уравнения реакции нейтрализации кислот:

x x

НСООН + NaOH HCOONa + О (4)

y y

С СООН + NaOH С СООNa + О (5)

z 2z

+ 2 NaOH + 2 О (6)

Рассчитаем количества: а) С образующегося в результате реакций (1-3); б) NaOH, требующегося для реакции (4-6):

n (С ) =2, 016/ 22,4= 0,09 моль

n (NaOH) = = 0,07 моль

Пусть в исходной смеси n (НСООН) = x, n (С СООН) = у и

n ( ) = z. Тогда, согласно уравнениям (1-6),

(С ) = n (HCOOH) = х,

(С ) = 2n (С СООН) = 2y, x + 2y + 2z = 0, 09

(С ) = 2n ( ) =2 z

(NaOH) = n (HCOOH) = x

(NaOH) = n) (С СООН) = у, x + y + 2z = 0, 07

(NaOH) = 2n ( ) =2z

Получим систему из двух уравнений с тремя неизвестными:

x + 2y + 2z = 0, 09

x + y + 2z = 0, 07

Вычтем из первого уравнения второе:

2у – у = 0, 02; у = 0,02

m (С СООН) = = 1,2 г

Ответ: 1,2 г С СООН.

Задача № 2. При сгорании 10,0 г смеси предельного одноатомного спирта и его симметричного простого эфира образовалось 12,0 г воды. Определить состав и массы соединений в исходной смеси.

Решение: Напишем в условном виде уравнения реакций горения предельного одноатомного спирта и его симметричного эфир:

Искомые величины: n- число атомов углерода в молекуле спирта, х - масса спирта в смеси и (10-х)- масса эфира в смеси (в гаммах).

Составим уравнение, учитывая, что масса водорода в сожжённой смеси спирта и эфира равна массе водорода в образовавшейся воде:

х , или

Для удобства решения сделаем подстановку: 2n + 2=у, тогда уравнение примет вид:

(1), отсюда найдём:

28y²-12xy + 24x – 124y -80 = 0

14y²- 6xy +12x -62y – 40 = 0

14y² – 2y (3x + 31) + 12x - 40 = 0

y₁_,y₂ = , ay²+ 2my + c = 0

у = (2)

Из условия задачи следует также, что масса спирта в смеси находится в пределах (0-10) г, т.е. 0 < х <10. Подставив предельно возможные значения х в формуле (2),

При х = 0 у₁= = 5

_У2= - , не имеет смысла,

получим при х=0, у =5 (отрицательное значение у не принимается во внимание). Поскольку у = 2n + 2, или 5 = 2n + 2, то n = 1,5.

При х=10 из формулы У₁= = 8,

У₂ = , (не имеет смысла)

определим: у = 8; при подстановке этого значения в уравнение

у =2n + 2; 8 = 2n + 2 найдём n = 3.

Таким образом, 1,5 < n <3, значит n = 2. Следовательно, формула спирта C₂H₅OH и

эфира -C₂H₅-O-C₂H₅.

Для определения массы этилового спирта в смеси найдём у при n = 2, у =2n + 2; 6 = 2n + 2 -и подставим его в уравнение (1).

333х + 34,50- 345х = 34,04

- 12х = - 46

х = 3,83

Масса этилового спирта в смеси х = 3,83 г. Затем определим массу эфира: m (эфира) = 10-х =10-3,83 = 6,17 (г).

Ответ: Смесь содержала 3,83 г этилового спирта и 6,17 г диэтилового эфира.

Задача № 3. При нагревании 2,9 г нитрата щелочного металла образовалось 2,44 г нитрита металла и кислород. Написать формулу нитрата металла.

Решение:

2МеN 2MeN +

Неизвестная искомая величина М (Ме)- молярная масса металла. Составим уравнение, учитывая, что количество молей нитрата металла равно количеству молей нитрита металла:

n (МеN ) = n (MeN )

M (Me)= 39 → Me- калий

Ответ: K N .

Задача № 4. При взаимодействии 2,45 г смеси перманганата калия и оксида марганца (IV) с избытком соляной кислоты образовалось 2,485 г хлора. Вычислить массовые доли компонентов в смеси.

Решение:

x г у г

KMn + 16 HCL = 5 + 2KCL + 2Mn + 8 (1)

158 г 5 г

(2,45-x)г (2,485-у)г

Mn + 4HCL = Mn + + 2 (2)

87г 71 г

Пусть х г – m (KMn ), тогда (2,45-х) г- m (Mn );

у г- m () в реакции (1); тогда (2,485-у) г- m () в реакции (2).

Составим систему уравнений с двумя неизвестными:

, у = 2,2468

х = 0,339 г (KMn ), m (Mn )= 2,45- 0,339= 2,11 г

w (KMn )= % =13,85 %

w (Mn ) = 100 – 13,85= 86,15 %

Ответ: w (KMn )= 13,85 %, w (Mn ) =86,15 %.

Задача № 5. Имеется смесь железа, углерода и оксида меди (I) c молярным соотношением 1: 2: 5. Вычислить объем 96 % азотной кислоты (плотность 1.5 г/мл), необходимый для полного растворения 80 г такой смеси при нагревании, а также объем газов, выделившихся при этом (н.у.).

Продуктом восстановления азотной кислоты во всех случаях считать оксид азота (I V).

Решение.

Пусть n (Fe) = x, n (C) = 2x, n () = 5x моль.