закон простых объемных отношений в химии

Закон простых объемных отношений в химии

Между атомами элементов в составе вещества, а также между исходными, вступающими в реакцию веществами и продуктами этой реакции, существуют строгие стехиометрические соотношения. Эти соотношения подчиняются четырём важнейшим стехиометрическим* законам.

Из закона Авогадро вытекает важное следствие: при одинаковых условиях `1` моль любого газа занимает одинаковый объём. Чаще всего используют так называемые нормальные условия (сокращённо н. у.), т. е. давление `101325` Па и температуру `273` К (иными словами, давление `1` атм. и температуру `0^@»C»`).

При н. у. `1` моль любого газа занимает объём, равный `22,4` л. Этот объём называется молярным объёмом газа `V_M`.

Для веществ, находящихся в газовой (паровой) фазе, количество вещества можно найти по обеим формулам:

Это соотношение связывает массу и объём газа:

В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, а значит, и одинаковое количество газообразных веществ. Объёмы различных газов относятся друг к другу, как их количества:

Отношение масс равных объёмов газов равно отношению их молярных масс:

Отношение массы определённого объёма одного газа к массе такого же объёма другого газа называется плотностью первого газа по второму:

Зная плотность неизвестного газа по известному газу, можно найти молярную массу:

получаем часто используемые формулы:

Знание стехиометрических законов позволяет решать задачи с использованием уравнений химических процессов. Рассмотрим некоторые из них.

Смесь карбоната кальция и карбоната магния массой `46,8` г подвергли термическому разложению. При этом выделилось `11,2` л (н. у.) углекислого газа. Найти массовую долю карбоната кальция в исходной смеси.

Записываем реакции термического разложения каждого из компонентов:

Выразим массы обеих солей: `m=nu*M`

Находим общее количество вещества, выделившегося в обеих реакциях `»CO»_2`:

Составляем систему уравнений:

То есть `nu^’ («CO»_2)=0,3` моль, `ν(«CaCO»_3)=0,3` моль;

$$ \nu \text<'>\text<'>$$ `(«CO»_2)=0,2` моль, `ν(«MgCO»_3)=0,2` моль.

Тогда `m(«CaCO»_3)=0,3` моль`*100` г/моль `=30` г

При термическом разложении `12,6` г карбоната двухвалентного металла выделилось `3,36` л углекислого газа. Определите формулу карбоната.

Данной молярной массе соответствует металл магний `»Mg»`.

Следовательно, формула карбоната – `»MgCO»_3`.

При сгорании органического вещества массой `26,4` г образовалось `33,6` л (н. у.) углекислого газа и `32,4` г воды. Пары этого вещества в `2` раза тяжелее пропана. При окислении этого вещества сернокислым раствором дихромата калия образуется альдегид. Найдите молекулярную формулу органического вещества и напишите структурные формулы трёх возможных изомеров.

Запишем формулу органического вещества как `»C»_x»H»_y»O»_z` и составим уравнение реакции его сгорания:

Используя значение относительной плотности паров вещества по пропану, находим значение молярной массы вещества:

`M(«C»_x»H»_y»O»_z)=M(«C»_3″H»_8)*D_(«C»_3″H»_8)=44` г/моль`*2=88` г/моль

Находим количества вещества углерода и водорода в соединении через количества вещества углекислого газа и воды:

Определяем, имеется ли в данном веществе кислород:

Находим соотношения количеств веществ в соединении:

Чтобы получить целочисленные значения, разделим каждое из них на наименьшее из них:

тогда `5 : 12 : 1` следовательно, формула соединения `»C»_5″H»_12″O»`.

Рассчитываем молярную массу соединения и убеждаемся в том, что она совпадает с вычисленной по относительной плотности паров вещества по пропану:

Возможны написания формул других изомеров, например, структурных.

Для решения некоторых задач требуется введение нескольких неизвестных и составление системы уравнений. Обычно это требуется в тех случаях, когда числовые данные касаются компонентов одной и той же смеси, либо раствора, либо одних и тех же уравнений реакции. В таких задачах через `х` и `y` можно обозначать массы либо количества веществ, для газовых смесей – объёмы. Но следует помнить, что если компоненты смеси вступают в химические реакции, то через переменные следует обозначать именно количества вещества. Если и исходные компоненты смеси, и продукты представляют собой газы, то через переменные можно выражать их объёмы, но объёмы непременно должны быть приведены к одинаковым условиям.

Смесь пропена и бутена-`2` объёмом `200` мл смешали с порцией кислорода объёмом `1` л и взорвали. После конденсации воды и приведения смеси к сходным условиям её объём составил `675` мл. Вычислите объёмные доли углеводородов в исходной смеси и её плотность по азоту. Определите объёмные доли компонентов в газовой смеси после реакции.

Запишем уравнения реакций сгорания каждого из газов и выразим через переменные `x` и `y` объёмы газов:

При этом `V_(«изб»)(«O»_2)=V_(«ост»)(«O»_2)`.

`V_(«изб»)(«O»_2)=1` л `– 4,5x – 6y`

`V_(«ост»)(«O»_2)=0,675` л `– 3x – 4y`

`1` л `– 4,5x – 6y = 0,675` л `– 3x – 4y`

Упрощаем: `1,5x + 2y = 0,325`

Находим, `x = 0,15; y = 0,05`.

То есть, `V(«C»_3″H»_6)=0,15` л; `V(«C»_4″H»_8)=0,05` л.

Таким образом, состав исходной смеси:

Рассчитаем плотность исходной газовой смеси по азоту:

`D_(«N»_2)`(исх.смеси)`=(m_(«смеси»))/(m_(N_2))`, если `V` (смеси) `= V(«N»_2)`.

`m` (исх.смеси)`=0,2813+0,1250=0,4063` г

Найдём массу азота такого же объёма (`0,2` л):

Определяем состав газовой смеси после реакции:

`V_(«ост»)(«O»_2)=0,675` л `-0,65` л `=0,025`л

1) состав исходной смеси: `varphi(«C»_3″H»_6)=0,75`; `varphi(«C»_4″H»_8)=0,25`;

2) `D_(N_2)` (исх.смеси)`=1,12`;

3) состав газовой смеси после реакции: `varphi(«CO»_2)=0,963`; `varphi(«O»_2)=0,037`.

Смесь серы и фосфора сожгли в избытке кислорода, и продукты сгорания растворили в `100` г воды. На полную нейтрализацию полученного раствора пошло `97,9` мл раствора гидроксида натрия с массовой долей щёлочи `40%` и плотностью `1,43` г/мл. Определите массовые доли серы и фосфора в исходной смеси, если известно, что массовая доля воды в растворе после нейтрализации составила `70%`.

1) Рассчитаем массу раствора и количество вещества гидроксида натрия, обозначим за `x` и `y` количества вещества серы и фосфора, и запишем уравнения происходящих процессов с указанием количеств реагирующих и образующихся веществ:

`m(`р-ра `»NaOH»)=97,9*1,43=140` г

2) Выразим через `x` и `y` массу конечного раствора и массу воды в нём. Составим систему уравнений и найдём `x` и `y`:

`m` (воды в конечном растворе) `=100–m` (воды, израсходованной в реакциях 3 и 4) `+m` (воды в растворе щёлочи) `+ m` (воды, выделившейся в реакциях `5` и `6`) `=`

`m` (воды в конечном растворе) `= ω*m` (конечного раствора)

Второе уравнение составляем на количество вещества прореагировавшей щёлочи:

Решаем систему уравнений и получаем: `x=0,25`; `y=0,3`.

Находим массы и массовые доли веществ в исходной смеси:

Источник