Расчеты по схемам химических реакций

Схема химической реакции отражает ее качественную сторону и в ней указывают лишь химические формулы исходных веществ и продуктов реакции. Тем не менее схемы необратимых (идущих до конца) реакций, например, реакций разложения и сжигания, можно использовать для стехиометрических расчетов, учтя, что атомы, в отличие от молекул, являются химически неделимыми частицами и в ходе химической реакции количество и масса атомов каждого элемента сохраняется. Следствием этого положения является закон сохранения массы веществ в необратимой химической реакции: масса веществ, взятых для реакции, равна массе продуктов реакции плюс масса остатка вещества, взятого в избытке.

Таким образом, все вычисления по схеме реакции основаны на составлении уравнений материального баланса по количеству вещества или массе каждого элемента с последующим использованием соотношений, связывающих количество данных атомов с количеством вещества реагентов и продуктов реакции, в составе которых они находятся (см. расчеты по химическим формулам веществ).

Методику расчетов по схемам реакций обычно используют при решении задач на установление индексов в химической формуле исходного вещества по данным о продуктах его сжигания или разложения (см. пример 1). Кроме того, используя закон сохранения количества атомов данного элемента, можно значительно упростить решение задач, где речь идет о расчетах по цепочкам химических реакций, когда продукт одной реакции является исходным веществом для другой (см. пример 2).

Пример 1. Схема сжигания некоторого органического вещества C_xH_yO_zN_kCl_n (обозначим его для краткости L) в избытке кислорода имеет вид:

C_xH_yO_zN_kCl_n+O₂ (избыток) ® CO₂+H₂O+N₂+HCl+O₂ (остаток)

Индексы в простейшей химической формуле сожженного вещества могут быть определены на основе следующих уравнений материального баланса:

– закон сохранения массы:

m(L)+m(O₂/исх) = m(CO₂) +m(H₂O)+m(N₂)+m(HCl)+m(O₂/ост)

– уравнения баланса по количеству атомов:

а) по атомам С: n(C/L)= n(C/CO₂)= n(CO₂)

б) по атомам Н: n(H/L)= n(H/H₂O)+ n(H/HCl)=2n(H₂O)+ n(HCl)

в) по атомам N: n(N/L)= n(N/N₂)=2n(N₂)

г) по атомам Cl: n(Cl/L)= n(Cl/HCl)= n(HCl)

д) по атомам О:

n(O/L)+ n(O/O₂ исх)= n(O/CO₂)+ n(O/H₂O)+ n(O/O₂ ост)

или n(O/L)=2n(CO₂)+ n(H₂O)+2n(O₂ ост)-2n(O₂ исх),

но если известна масса исходного вещества L, то расчет упрощается:

Необходимые для расчета количества вещества продуктов реакции CO₂, H₂O, N₂ и HCl определяют обычным образом из условия задачи и далее находят индексы в простейшей формуле исходного вещества:

x: y: z: k: n = n(C): n(H): n(O): n(N): n(Cl)

Пример 2. Какое предельное количество серной кислоты можно получить из заданной массы m₀ пирита, содержащего а % примесей. Считать выход продуктов реакции на каждой стадии процесса за 100%.

Цепочка превращений имеет вид:

FeS₂ + O₂ ® Fe₂O₃ + SO₂