Химия – это наука о веществах, их свойствах и превращениях
.
То есть, если с окружающими нас веществами ничего не происходит, то это не относится к химии. Но что значит, «ничего не происходит»? Если в поле нас вдруг застала гроза, и мы все промокли, как говорится «до нитки», то это ли не превращение: ведь одежда была сухой, а стала мокрой.
Если, к примеру взять железный гвоздь, обработать его напильником, а затем собрать железные опилки (Fe ) , то это ли так же не превращение: был гвоздь – стал порошок. Но если после этого собрать прибор и провести получение кислорода (О 2) : нагреть перманганат калия (КМпО 4) и собрать в пробирку кислород, а затем в неё поместить раскалённые «до красна» эти железные опилки, то они вспыхнут ярким пламенем и после сгорания превратятся в порошок бурого цвета. И это так же превращение. Так где же химия? Несмотря на то, что в этих примерах меняется форма (железный гвоздь) и состояние одежды (сухая, мокрая) – это не превращения. Дело в том, что сам по себе гвоздь как был веществом (железо), так им и остался, несмотря на другую свою форму, а воду от дождя как впитала наша одежда, так потом его и испарила в атмосферу. Сама вода не изменилась. Так что же такое превращения с точки зрения химии?
Превращениями с точки зрения химии называются такие явления, которые сопровождаются изменением состава вещества. Возьмём в качестве примера тот же гвоздь. Не важно, какую форму он принял после обработки напильником, но после того как собранные от него железные опилки поместили в атмосферу кислорода - он превратился в оксид железа (Fe 2 O 3 ) . Значит, что-то всё-таки изменилось? Да, изменилось. Было вещество гвоздь, но под воздействием кислорода сформировалось новое вещество – оксид элемента железа. Молекулярное уравнение этого превращения можно отобразить следующими химическими символами:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 (1)
Для непосвящённого в химии человека сразу возникают вопросы. Что такое «молекулярное уравнение», что такое Fe? Почему поставлены цифры «4», «3», «2»? Что такое маленькие цифры «2» и «3» в формуле Fe 2 O 3 ? Это значит, наступило время во всём разобраться по порядку.
Знаки химических элементов.
Несмотря на то, что химию начинают изучать в 8-м классе, а некоторые даже раньше, многим известен великий русский химик Д. И. Менделеев. И конечно же, его знаменитая «Периодическая система химических элементов». Иначе, проще, её называют «Таблица Менделеева».
В этой таблице, в соответствующем порядке, располагаются элементы. К настоящему времени их известно около 120. Названия многих элементов нам были известны ещё давно. Это: железо, алюминий, кислород, углерод, золото, кремний. Раньше мы не задумываясь применяли эти слова, отождествляя их с предметами: железный болт, алюминиевая проволока, кислород в атмосфере, золотое кольцо и т.д. и т.д. Но на самом деле все эти вещества (болт, проволока, кольцо) состоят из соответствующих им элементов. Весь парадокс состоит в том, что элемент нельзя потрогать, взять в руки. Как же так? В таблице Менделеева они есть, а взять их нельзя! Да, именно так. Химический элемент – это абстрактное (то есть отвлечённое) понятие, и используется в химии, впрочем как и в других науках, для расчётов, составления уравнений, при решении задач. Каждый элемент отличается от другого тем, что для него характерна своя электронная конфигурация атома. Количество протонов в ядре атома равно количеству электронов в его орбиталях. К примеру, водород – элемент №1. Его атом состоит из 1-го протона и 1-го электрона. Гелий – элемент №2. Его атом состоит из 2-х протонов и 2-х электронов. Литий – элемент №3. Его атом состоит из 3-х протонов и 3-х электронов. Дармштадтий – элемент №110. Его атом состоит из 110-и протонов и 110-и электронов.
Каждый элемент обозначается определённым символом, латинскими буквами, и имеет определённое прочтение в переводе с латинского. Например, водород имеет символ «Н» , читается как «гидрогениум» или «аш». Кремний имеет символ «Si» читается как «силициум». Ртуть имеет символ «Нg» и читается как «гидраргирум». И так далее. Все эти обозначения можно найти в любом учебнике химии за 8-й класс. Для нас сейчас главное уяснить то, что при составлении химических уравнений, необходимо оперировать указанными символами элементов.
Простые и сложные вещества.
Обозначая единичными символами химических элементов различные вещества (Hg ртуть , Fe железо , Cu медь , Zn цинк , Al алюминий ) мы по сути обозначаем простые вещества, то есть вещества, состоящие из атомов одного вида (содержащие одно и то же количество протонов и нейтронов в атоме). Например, если во взаимодействие вступают вещества железо и сера, то уравнение примет следующую форму записи:
Fe + S = FeS (2)
К простым веществам относятся металлы (Ва, К, Na, Mg, Ag), а так же неметаллы (S, P, Si, Cl 2 , N 2 , O 2 , H 2). Причём следует обратить
особое внимание на то, что все металлы обозначаются единичными символами: К, Ва, Са, Аl, V, Mg и т.д., а неметаллы – либо простыми символами: C,S,P или могут иметь различные индексы, которые указывают на их молекулярное строение: H 2 , Сl 2 , О 2 , J 2 , P 4 , S 8 . В дальнейшем это будет иметь очень большое значение при составлении уравнений. Совсем не трудно догадаться, что сложными веществами являются вещества, образованные из атомов разного вида, например,
1). Оксиды:
оксид алюминия
Al 2 O 3 , 
оксид натрия
Na 2 O,
оксид меди
CuO,
оксид цинка
ZnO,
оксид титана
Ti 2 O 3 ,
угарный газ
или оксид углерода (+2)
CO,
оксид серы (+6)
SO 3
2). Основания:
гидроксид железа
(+3) Fe(OH) 3 ,
гидроксид меди
Cu(OH) 2 ,
гидроксид калия или щёлочь калия
КOH,
гидроксид натрия
NaOH.
3). Кислоты:
соляная кислота
HCl,
сернистая кислота
H 2 SO 3 ,
азотная кислота
HNO 3
4). Соли:
тиосульфат натрия
Na 2 S 2 O 3 ,
сульфат натрия
или глауберова соль
Na 2 SO 4 ,
карбонат кальция
или известняк
СаCO 3,
хлорид меди
CuCl 2
5). Органические вещества:
ацетат натрия
СН 3 СООNa,
метан
СН 4 ,
ацетилен
С 2 Н 2 ,
глюкоза
С 6 Н 12 О 6
Наконец, после того как мы выяснили структуру различных веществ, можно приступать к составлению химических уравнений.
Химическое уравнение.
Само слово «уравнение» производное от слова «уравнять», т.е. разделить нечто на равные части. В математике уравнения составляют чуть ли не самую сущность этой науки. К примеру, можно привести такое простое уравнение, в котором левая и правая части будут равны «2»:
40: (9 + 11) = (50 х 2) : (80 – 30);
И в химических уравнениях тот же принцип: левая и правая части уравнения должны соответствовать одинаковым количествам атомов, участвующим в них элементов. Или, если приводится ионное уравнение, то в нём число частиц так же должно соответствовать этому требованию. Химическим уравнением называется условная запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков. Химическое уравнение по своей сути отражает ту или иную химическую реакцию, то есть процесс взаимодействия веществ, в процессе которых возникают новые вещества. Например, необходимо написать молекулярное уравнение реакции, в которой принимают участие хлорид бария ВаСl 2 и серная кислота H 2 SO 4. В результате этой реакции образуется нерастворимый осадок – сульфат бария ВаSO 4 и соляная кислота НСl:
ВаСl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2НСl (3)
Прежде всего необходимо уяснить, что большая цифра «2», стоящая перед веществом НСlназывается коэффициентом, а малые цифры «2», «4» под формулами ВаСl 2 , H 2 SO 4 ,BaSO 4 называются индексами. И коэффициенты и индексы в химических уравнениях выполняют роль множителей, а не слагаемых. Что бы правильно записать химическое уравнение, необходимо расставить коэффициенты в уравнении реакции . Теперь приступим к подсчёту атомов элементов в левой и правой частях уравнения. В левой части уравнения: в веществе ВаСl 2 содержатся 1 атом бария (Ва), 2 атома хлора (Сl). В веществе H 2 SO 4: 2 атома водорода (Н), 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О) . В правой части уравнения: в веществе BaSO 4 1 атом бария (Ва) 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (О), в веществе НСl: 1 атом водорода (Н) и 1 атом хлора (Сl). Откуда следует, что в правой части уравнения количество атомов водорода и хлора вдвое меньше, чем в левой части. Следовательно, перед формулой НСl в правой части уравнения необходимо поставить коэффициент «2». Если теперь сложить количества атомов элементов, участвующих в данной реакции, и слева и справа, то получим следующий баланс:
В обеих частях уравнения количества атомов элементов, участвующих в реакции, равны, следовательно оно составлено правильно.
Химические уравнение и химические реакции
Как мы уже выяснили, химические уравнения являются отражением химических реакций. Химическими реакциями называются такие явления, в процессе которых происходит превращение одних веществ в другие. Среди их многообразия можно выделить два основных типа:
1). Реакции соединения
2). Реакции разложения.
В подавляющем своём большинстве химические реакции принадлежат к реакциям присоединения, поскольку с отдельно взятым веществом редко могут происходить изменения в его составе, если оно не подвергается воздействиям извне (растворению, нагреванию, действию света). Ничто так не характеризует химическое явление, или реакцию, как изменения, происходящие при взаимодействии двух и более веществ. Такие явления могут осуществляться самопроизвольно и сопровождаться повышением или понижением температуры, световыми эффектами, изменением цвета, образованием осадка, выделением газообразных продуктов, шумом.
Для наглядности приведём несколько уравнений, отражающих процессы реакций соединения, в процессе которых получаются хлорид натрия (NaCl), хлорид цинка (ZnCl 2), осадок хлорида серебра (AgCl), хлорид алюминия (AlCl 3)
Cl 2 + 2Nа = 2NaCl (4)
СuCl 2 + Zn= ZnCl 2 + Сu (5)
AgNO 3 + КCl = AgCl + 2KNO 3 (6)
3HCl + Al(OH) 3 = AlCl 3 + 3Н 2 О (7)
Cреди реакций соединения следует особым образом отметить следующие: замещения (5), обмена (6), и как частный случай реакции обмена – реакцию нейтрализации (7).
К реакциям замещения относятся такие, при осуществлении которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. В примере (5) атомы цинка замещают из раствора СuCl 2 атомы меди, при этом цинк переходит в растворимую соль ZnCl 2 , а медь выделяется из раствора в металлическом состоянии.
К реакциям обмена относятся такие реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями. В случае реакции (6) растворимые соли AgNO 3 и КCl при сливании обоих растворов образуют нерастворимый осадок соли AgCl. При этом они обмениваются своими составными частями – катионами и анионами. Катионы калия К + присоединяются к анионам NO 3 , а катионы серебра Ag + – к анионам Cl - .
К особому, частному случаю, реакций обмена относится реакция нейтрализации. К реакциям нейтрализации относятся такие реакции, в процессе которых кислоты реагируют с основаниями, в результате образуется соль и вода. В примере (7) соляная кислота HCl , реагируя с основанием Al(OH) 3 образует соль AlCl 3 и воду. При этом катионы алюминия Al 3+ от основания обмениваются с анионами Сl - от кислоты. В итоге происходит нейтрализация соляной кислоты.
К реакциям разложения относятся такие, при котором из одного сложного образуются два и более новых простых или сложных веществ, но более простого состава. В качестве реакций можно привести такие, в процессе которых разлагаются 1). Нитрат калия (КNO 3) с образованием нитрита калия (КNO 2) и кислорода (O 2); 2). Перманганат калия (KMnO 4): образуются манганат калия (К 2 МnO 4), оксид марганца (MnO 2) и кислород (O 2); 3). Карбонат кальция или мрамор ; в процессе образуются углекислый газ (CO 2) и оксид кальция (СаО)
2КNO 3 = 2КNO 2 + O 2 (8)
2KMnO 4 = К 2 МnO 4 + MnO 2 + O 2 (9)
СаCO 3 = CaO + CO 2 (10)
В реакции (8) из сложного вещества образуется одно сложное и одно простое. В реакции (9) – два сложных и одно простое. В реакции (10) – два сложных вещества, но более простых по составу
Разложению подвергаются все классы сложных веществ:
1). Оксиды: оксид серебра 2Ag 2 O = 4Ag + O 2 (11)
2). Гидроксиды: гидроксид железа 2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O (12)
3). Кислоты: серная кислота H 2 SO 4 = SO 3 + H 2 O (13)
4). Соли: карбонат кальция СаCO 3 = СаO + CO 2 (14)
5). Органические вещества: спиртовое брожение глюкозы
С 6 Н 12 О 6 = 2С 2 Н 5 ОH + 2CO 2 (15)
Согласно другой классификации, все химические реакции можно разделить на два типа: реакции, идущие с выделением теплоты, их называют экзотермические, и реакции, идущие с поглощением теплоты – эндотермические. Критерием таких процессов является тепловой эффект реакции. Как правило, к экзотермическим реакциям относятся реакции окисления, т.е. взаимодействия с кислородом, например сгорание метана :
СН 4 + 2O 2 = СО 2 + 2Н 2 О + Q (16)
а к эндотермическим реакциям – реакции разложения, уже приводимые выше (11) – (15). Знак Q в конце уравнения указывает на то, выделяется ли теплота в процессе реакции (+Q) или поглощается (-Q):
СаCO 3 = СаO+CO 2 - Q (17)
Можно так же рассматривать все химические реакции по типу изменения степени окисления, участвующих в их превращениях элементов. К примеру, в реакции (17) участвующие в ней элементы не меняют свои степени окисления:
Са +2 C +4 O 3 -2 = Са +2 O -2 +C +4 O 2 -2 (18)
А в реакции (16) элементы меняют свои степени окисления:
2Mg 0 + O 2 0 = 2Mg +2 O -2
Реакции такого типа относятся к окислительно-восстановительным . Они будут рассматриваться отдельно. Для составления уравнений по реакциям такого типа необходимо использовать метод полуреакций и применять уравнение электронного баланса.
После приведения различных типов химических реакций, можно приступать к принципу составлений химических уравнений, иначе, подбору коэффициентов в левой и правой их частях.
Механизмы составления химических уравнений.
К какому бы типу ни относилась та или иная химическая реакция, её запись (химическое уравнение) должна соответствовать условию равенства количества атомов до реакции и после реакции.
Существуют такие уравнения (17), которые не требуют уравнивания, т.е. расстановки коэффициентов. Но в большинстве случаях, как в примерах (3), (7), (15), необходимо предпринимать действия, направленные на уравнивание левой и правой частей уравнения. Какими же принципами необходимо руководствоваться в таких случаях? Существует ли какая ни будь система в подборе коэффициентов? Существует, и не одна. К таковым системам относятся:
1). Подбор коэффициентов по заданным формулам.
2). Составление по валентностям реагирующих веществ.
3). Составление по степеням окисления реагирующих веществ.
В первом случае полагается, что нам известны формулы реагирующих веществ как до реакции, так и после. К примеру, дано следующее уравнение:
N 2 + О 2 →N 2 О 3 (19)
Принято считать, что пока не установлено равенство между атомами элементов до реакции и после, знак равенства (=) в уравнении не ставится, а заменяется стрелкой (→). Теперь приступим к собственно уравниванию. В левой части уравнения имеются 2 атома азота (N 2) и два атома кислорода (О 2), а в правой – два атома азота (N 2) и три атома кислорода (О 3). По количеству атомов азота его уравнивать не надо, но по кислороду необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало три атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
О 2 О 3
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «6».
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 →N 2 О 3
Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Количества атомов кислорода и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 6 атомов:
Но количество атомов азота в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
В левой – два атома, в правой – четыре атома. Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество азота в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по азоту соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2N 2 + 3О 2 → 2N 2 О 3
Теперь в уравнении можно вместо стрелки поставит знак равенства:
2N 2 + 3О 2 = 2N 2 О 3 (20)
Приведём другой пример. Дано следующее уравнение реакции:
Р + Cl 2 → РCl 5
В левой части уравнения имеется 1 атом фосфора (Р) и два атома хлора (Cl 2), а в правой – один атом фосфора (Р) и пять атомов кислорода (Cl 5). По количеству атомов фосфора его уравнивать не надо, но по хлору необходимо добиться равенства, поскольку до реакции их участвовало два атома, а после реакции стало пять атома. Составим следующую схему:
до реакции после реакции
Cl 2 Cl 5
Определим наименьшее кратное между данными количествами атомов, это будет «10».
Cl 2 Cl 5
\ 10 /
Разделим это число в левой части уравнения по хлору на «2». Получим число «5», поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → РCl 5
Так же разделим число «10» для правой части уравнения на «5». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Р + 5Cl 2 → 2РCl 5
Количества атомов хлора и в левой и в правой частях уравнения стали равны, соответственно по 10 атомов:
Но количество атомов фосфора в обеих частях уравнения не будут соответствовать друг другу:
Следовательно, что бы добиться равенства, необходимо удвоить количество фосфора в левой части уравнения, поставив коэффициент «2»:
Таким образом, равенство по фосфору соблюдено и в целом, уравнение примет вид:
2Р + 5Cl 2 = 2РCl 5 (21)
При составлении уравнений по валентностям необходимо дать определение валентности и установить значения для наиболее известных элементов. Валентность – это одно из ранее применяемых понятий, в настоящее время в ряде школьных программ не используется. Но при его помощи легче объяснить принципы составления уравнений химических реакций. Под валентностью понимают число химических связей, которые тот или иной атом может образовывать с другим, или другими атомами . Валентность не имеет знака (+ или -) и обозначается римскими цифрами, как правило, над символами химических элементов, например:
Откуда берутся эти значения? Как их применять при составлении химических уравнений? Числовые значения валентностей элементов совпадают с их номером группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (Таблица 1).
Для других элементов значения валентностей могут иметь иные значения, но никогда не больше номера группы, в которой они расположены. Причём для чётных номеров групп (IV и VI) валентности элементов принимают только чётные значения, а для нечётных – могут иметь как чётные, так и нечётные значения (Таблица.2).
Конечно же, в значениях валентностей для некоторых элементов имеются исключения, но в каждом конкретном случае эти моменты обычно оговариваются. Теперь рассмотрим общий принцип составления химических уравнений по заданным валентностям для тех или иных элементов. Чаще всего данный метод приемлем в случае составления уравнений химических реакций соединения простых веществ, например, при взаимодействии с кислородом (реакции окисления ). Допустим, необходимо отобразить реакцию окисления алюминия . Но напомним, что металлы обозначаются единичными атомами (Al), а неметаллы, находящиеся в газообразном состоянии – с индексами «2» - (О 2). Сначала напишем общую схему реакции:
Al + О 2 →AlО
На данном этапе ещё не известно, какое правильное написание должно быть у оксида алюминия. И вот именно на данном этапе нам на помощь придёт знание валентностей элементов. Для алюминия и кислорода проставим их над предполагаемой формулой этого оксида:
III II
Al О
После чего «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III II
Al 2 О 3
Состав химического соединения Al 2 О 3 определён. Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
Al+ О 2 →Al 2 О 3
Остаётся только уравнять левую и правую его части. Поступим таким же способом, как в случае составления уравнения (19). Количества атомов кислорода уравняем, прибегая к нахождению наименьшего кратного:
до реакции после реакции
О 2 О 3
\ 6 /
Разделим это число в левой части уравнения по кислороду на «2». Получим число «3», поставим его в решаемое уравнение. Так же разделим число «6» для правой части уравнения на «3». Получим число «2», так же поставим его в решаемое уравнение:
Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Что бы добиться равенства по алюминию, необходимо скорректировать его количество в левой части уравнения, поставив коэффициент «4»:
4Al + 3О 2 → 2Al 2 О 3
Таким образом, равенство по алюминию и кислороду соблюдено и в целом, уравнение примет окончательный вид:
4Al + 3О 2 = 2Al 2 О 3 (22)
Применяя метод валентностей, можно прогнозировать, какое вещество образуется в процессе химической реакции, как будет выглядеть его формула. Допустим, в реакцию соединения вступили азот и водород с соответствующими валентностями III и I. Напишем общую схему реакции:
N 2 + Н 2 → NН
Для азота и водорода проставим валентности над предполагаемой формулой этого соединения:
Как и прежде «крест»-на-«крест» у этих символов элементов поставим внизу соответствующие индексы:
III I
N Н 3
Дальнейшая схема уравнения реакции примет вид:
N 2 + Н 2 → NН 3
Уравнивая уже известным способом, через наименьшее кратное для водорода, равное «6»,получим искомые коэффициенты, и уравнение в целом:
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3 (23)
При составлении уравнений по степеням окисления реагирующих веществ необходимо напомнить, что степенью окисления того или иного элемента называется число принятых или отданных в процессе химической реакции электронов. Степень окисления в соединениях в основном, численно совпадает со значениями валентностей элемента. Но отличаются знаком. Например, для водорода валентность равна I, а степень окисления (+1) или (-1). Для кислорода валентность равна II, а степень окисления (-2). Для азота валентности равны I,II,III,IV,V, а степени окисления (-3), (+1), (+2), (+3), (+4), (+5) и т.д. Степени окисления наиболее часто применяемых в уравнениях элементов, приведены в таблице 3.
В случае реакций соединения принцип составления уравнений по степеням окисления такой же, как и при составлении по валентностям. Например, приведём уравнение реакции окисления хлора кислородом, в которой хлор образует соединение со степенью окисления +7. Запишем предполагаемое уравнение:
Cl 2 + О 2 → ClО
Поставим над предполагаемым соединением ClО степени окисления соответствующих атомов:
Как и в предыдущих случаях установим, что искомая формула соединения примет вид:
7 -2
Cl 2 О 7
Уравнение реакции примет следующий вид:
Cl 2 + О 2 → Cl 2 О 7
Уравнивая по кислороду, найдя наименьшее кратное между двумя и семи, равное «14», установим в итоге равенство:
2Cl 2 + 7О 2 = 2Cl 2 О 7 (24)
Несколько иной способ необходимо применять со степенями окисления при составлении реакций обмена, нейтрализации, замещения. В ряде случаев предоставляется затруднительным узнать: какие соединения образуются при взаимодействии сложных веществ?
Как узнать: что получится в процессе реакции?
Действительно, как узнать: какие продукты реакции могут возникнут в ходе конкретной реакции? К примеру, что образуется при взаимодействии нитрата бария и сульфата калия?
Ва(NО 3) 2 + К 2 SO 4 → ?
Может быть ВаК 2 (NО 3) 2 + SO 4 ? Или Ва + NО 3 SO 4 + К 2 ? Или ещё что-то? Конечно же, в процессе этой реакции образуются соединения: ВаSO 4 и КNО 3 . А откуда это известно? И как правильно написать формулы веществ? Начнём с того, что чаще всего упускается из вида: с самого понятия «реакция обмена». Это значит, что при данных реакциях вещества меняются друг с другом составными частями. Поскольку реакции обмена в большинстве своём осуществляются межу основаниями, кислотами или солями, то частями, которыми они будут меняться, являются катионы металлов (Na + , Mg 2+ ,Al 3+ ,Ca 2+ ,Cr 3+), ионов Н + или ОН - , анионов – остатков кислот, (Cl - , NO 3 2- ,SO 3 2- , SO 4 2- , CO 3 2- , PO 4 3-). В общем виде реакцию обмена можно привести в следующей записи:
Kt1An1 + Kt2An1 = Kt1An2 + Kt2An1 (25)
Где Kt1 и Kt2 – катионы металлов (1) и (2), а An1 и An2 – соответствующие им анионы (1) и (2). При этом обязательно надо учитывать, что в соединениях до реакции и после реакции на первом месте всегда устанавливаются катионы, а анионы – на втором. Следовательно, если в реакцию вступит хлорид калия и нитрат серебра , оба в растворённом состоянии
KCl + AgNO 3 →
то в процессе её образуются вещества KNO 3 и AgClи соответствующее уравнение примет вид:
KCl + AgNO 3 =KNO 3 + AgCl (26)
При реакциях нейтрализации протоны от кислот (Н +) будут соединяться с анионами гидроксила (ОН -) с образованием воды (Н 2 О):
НCl + КОН = КCl + Н 2 O (27)
Степени окисления катионов металлов и заряды анионов кислотных остатков указаны в таблице растворимости веществ (кислот, солей и оснований в воде). По горизонтали приведены катионы металлов, а по вертикали – анионы кислотных остатков.
Исходя из этого, при составлении уравнения реакции обмена, необходимо вначале в левой его части установить степени окисления принимающих в этом химическом процессе частиц. Например, требуется написать уравнение взаимодействия между хлоридом кальция и карбонатом натрия.Составим исходную схему этой реакции:
СаCl + NаСО 3 →
Са 2+ Cl - + Nа + СО 3 2- →
Совершив уже известное действие «крест»-на-«крест», определим реальные формулы исходных веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 → СаСО 3 + NаCl
Над их катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Са 2+ СО 3 2- + Nа + Cl -
Формулы веществ записаны правильно, в соответствии с зарядами катионов и анионов. Составим полное уравнение, уравняв левую и правую его части по натрию и хлору:
СаCl 2 + Nа 2 СО 3 = СаСО 3 + 2NаCl (28)
В качестве другого примера приведём уравнение реакции нейтрализации между гидроксидом бария и ортофосфорной кислотой:
ВаОН + НРО 4 →
Над катионами и анионами проставим соответствующие заряды:
Ва 2+ ОН - + Н + РО 4 3- →
Определим реальные формулы исходных веществ:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 →
Исходя из принципа обмена катионами и анионами (25), установим предварительные формулы образующихся в ходе реакции веществ, учитывая, что при реакции обмена одним из веществ обязательно должна быть вода:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 2+ РО 4 3- + Н 2 O
Определим правильную запись формулы соли, образовавшейся в процессе реакции:
Ва(ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Уравняем левую часть уравнения по барию:
3Ва (ОН) 2 + Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Поскольку в правой части уравнения остаток ортофосфорной кислоты взят дважды, (РО 4) 2 , то слева необходимо также удвоить её количество:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + Н 2 O
Осталось привести в соответствие количество атомов водорода и кислорода в правой части у воды. Так как слева общее количество атомов водорода равно 12, то справа оно так же должно соответствовать двенадцати, поэтому перед формулой воды необходимо поставить коэффициент «6» (поскольку в молекуле воды уже имеется 2 атома водорода). По кислороду так же соблюдено равенство: слева 14 и справа 14. Итак, уравнение имеет правильную форму записи:
3Ва (ОН) 2 + 2Н 3 РО 4 → Ва 3 (РО 4) 2 + 6Н 2 O (29)
Возможность осуществления химических реакций
Мир состоит из великого множества веществ. Неисчислимо так же количество вариантов химических реакций между ними. Но можем ли мы, написав на бумаге то или иное уравнение утверждать, что ему будет соответствовать химическая реакция? Существует ошибочное мнение, что если правильно расставить коэффициенты в уравнении, то оно будет осуществимо и на практике. Например, если взять раствор серной кислоты и опустить в него цинк , то можно наблюдать процесс выделения водорода:
Zn+ H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 (30)
Но если в этот же раствор опустить медь, то процесс выделения газа наблюдаться не будет. Реакция не осуществима.
Cu+ H 2 SO 4 ≠
В случае, если будет взята концентрированная серная кислота, она будет реагировать с медью:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2Н 2 O (31)
В реакции (23) между газами азотом и водородом наблюдается термодинамическое равновесие, т.е. сколько молекул аммиака NН 3 образуется в единицу времени, столько же их и распадётся обратно на азот и водород. Смещение химического равновесия можно добиться повышением давления и понижением температуры
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3
Если взять раствор гидроксида калия и прилить к нему раствор сульфата натрия , то никаких изменений наблюдаться не будет, реакция будет не осуществима:
КОН + Na 2 SO 4 ≠
Раствор хлорида натрия при взаимодействии с бромом не будет образовывать бром, несмотря на то, что данная реакция может быть отнесена к реакции замещения:
NаCl + Br 2 ≠
В чём же причины таких несоответствий? Дело в том, что оказывается недостаточно только правильно определять формулы соединений , необходимо знать специфику взаимодействия металлов с кислотами, умело пользоваться таблицей растворимости веществ, знать правила замещения в ряду активности металлов и галогенов. В этой статье излагаются только самые основные принципы как расставить коэффициенты в уравнениях реакций , как написать молекулярные уравнения , как определить состав химического соединения.
Химия, как наука, чрезвычайно разнообразна и многогранна. В приведённой статье отражена лишь малая часть процессов, происходящих в реальном мире. Не рассмотрены типы , термохимические уравнения, электролиз, процессы органического синтеза и многое, многое другое. Но об этом в следующих статьях.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Решение школьных задач по химии может представлять некоторые трудности для школьников, поэтому мы выкладываем ряд примеров решений основный типов задач школьной химии с подробным разбором.
Для решения задач по химии необходимо знать ряд формул, указанных в таблице ниже. грамотно пользуясь этим нехитрым набором можно решить практически любую задачу из курса химии.
| Расчеты количества вещества | Расчеты доли | Расчеты выхода продукта реакции |
| ν=m/M,
ν=V/V M , ν=N/N A , ν=PV/RT |
ω=m ч /m об,
φ=V ч /V об, χ=ν ч /ν об |
η = m пр. /m теор. ,
η = V пр. /V теор. , η = ν пр. /ν теор. |
| ν — количество вещества (моль);
ν ч — количество вещества частное (моль); ν об — количество вещества общее (моль); m — масса (г); m ч — масса частная (г); m об — масса общая (г); V — объём (л); V М — объем 1 моль (л); V ч — объём частный (л); V об — объем общий (л); N — количество частиц (атомов, молекул, ионов); N A — число Авогадро (количество частиц в 1 моль вещества) N A =6,02×10 23 ; Q — количество электричества (Кл); F — постоянная Фарадея (F » 96500 Кл); Р — давление (Па) (1атм »10 5 Па); R — универсальная газовая постоянная R » 8,31 Дж/(моль×К); Т — абсолютная температура (К); ω — массовая доля; φ — объёмная доля; χ — мольная доля; η — выход продукта реакции; m пр., V пр., ν пр. — масса, объём, количество вещества практические; m теор.,V теор., ν теор. — масса, объем, количество вещества теоретические. |
||
Вычисление массы определённого количества вещества
Задание:
Определить массу 5 моль воды (Н 2 О).
Решение:
- Рассчитать молярную массу вещества, используя периодическую таблицу Д. И. Менделеева. Массы всех атомов округлять до единиц, хлора — до 35,5.
M(H 2 O)=2×1+16=18 г/моль - Найти массу воды по формуле:
m = ν×M(H 2 O)= 5 моль × 18 г/моль = 90 г - Записать ответ:
Ответ: масса 5 моль воды равна 90 г
Вычисление массовой доли растворенного вещества
Задание:
Вычислить массовую долю соли (NaCl) в растворе, полученном при растворении в 475 г воды 25 г соли.
Решение:
- Записать формулу для нахождения массовой доли:
ω(%) = (m в-ва /m р-ра)×100% - Найти массу раствора.
m р-ра = m(H 2 O) + m(NaCl) = 475 + 25 = 500 г - Вычислить массовую долю, подставив значения в формулу.
ω(NaCl) = (m в-ва /m р-ра)×100% = (25/500)×100%=5% - Записать ответ.
Ответ: массовая доля NaCl составляет 5%
Расчет массы вещества в растворе по его массовой доле
Задание:
Сколько граммов сахара и воды необходимо взять для получения 200 г 5 % раствора?
Решение:
- Записать формулу для определения массовой доли растворённого вещества.
ω=m в-ва /m р-ра → m в-ва = m р-ра ×ω - Вычислить массу соли.
m в-ва (соли) = 200×0,05=10 г - Определить массу воды.
m(H 2 O) = m (р-ра) — m (соли) = 200 — 10 = 190 г - Записать ответ.
Ответ: необходимо взять 10 г сахара и 190 г воды
Определение выхода продукта реакции в % от теоретически возможного
Задание:
Вычислить выход нитрата аммония (NH 4 NO 3) в % от теоретически возможного, если при пропускании 85 г аммиака (NH 3) в раствор азотной кислоты (HNO 3), было получено 380 г удобрения.
Решение:
- Записать уравнение химической реакции и расставить коэффициенты
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 - Данные из условия задачи записать над уравнением реакции.
m = 85 г m пр. = 380 г NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 - Под формулами веществ рассчитать количество вещества согласно коэффициентам как произведение количества вещества на молярную массу вещества:
- Практически полученная масса нитрата аммония известна (380 г). С целью определения теоретической массы нитрата аммония составить пропорцию
85/17=х/380 - Решить уравнение, определить х.
х=400 г теоретическая масса нитрата аммония - Определить выход продукта реакции (%), отнеся практическую массу к теоретической и умножить на 100%
η=m пр. /m теор. =(380/400)×100%=95% - Записать ответ.
Ответ: выход нитрата аммония составил 95%.
Расчет массы продукта по известной массе реагента, содержащего определённую долю примесей
Задание:
Вычислить массу оксида кальция (СаО), получившегося при обжиге 300 г известняка (СаСО 3), содержащего 10 % примесей.
Решение:
- Записать уравнение химической реакции, поставить коэффициенты.
СаСО 3 = СаО + СО 2 - Рассчитать массу чистого СаСО 3 , содержащегося в известняке.
ω(чист.) = 100% — 10% = 90% или 0,9;
m(CaCO 3) = 300×0,9=270 г - Полученную массу СаСО 3 записать над формулой СаСО 3 в уравнении реакции. Искомую массу СаО обозначить через х.
270 г х г СаСО 3 = СаО + СО 2 - Под формулами веществ в уравнении записать количество вещества (согласно коэффициентам); произведения количеств веществ на их молярную массу (молекулярная масса СаСО 3 = 100
, СаО = 56
).
- Составить пропорцию.
270/100=х/56 - Решить уравнение.
х = 151,2 г - Записать ответ.
Ответ: масса оксида кальция составит 151, 2 г
Расчет массы продукта реакции, если известен выход продукта реакции
Задание:
Сколько г аммиачной селитры (NH 4 NO 3) можно получить при взаимодействии 44,8 л аммиака (н. у.) с азотной кислотой, если известно, что практический выход составляет 80 % от теоретически возможного?
Решение:
- Запишите уравнение химической реакции, расставьте коэффициенты.
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 - Данные условия задачи напишите над уравнением реакции. Массу аммиачной селитры обозначьте через х.
- Под уравнением реакции напишите:
а) количество веществ согласно коэффициентам;
б) произведение молярного объёма аммиака на количество вещества; произведение молярной массы NH 4 NO 3 на количество вещества. - Составьте пропорцию.
44,4/22,4=х/80 - Решите уравнение, найдя х (теоретическую массу аммиачной селитры):
х= 160 г. - Найдите практическую массу NH 4 NO 3 , помножив теоретическую массу на практический выход (в долях от единицы)
m(NH 4 NO 3) = 160×0,8=128 г - Запишите ответ.
Ответ: масса аммиачной селитры составит 128 г.
Определение массы продукта, если один из реагентов взят в избытке
Задание:
14 г оксида кальция (СаО) обработали раствором, содержащем 37,8 г азотной кислоты (HNO 3). Вычислите массу продукта реакции.
Решение:
- Запишите уравнение реакции, расставьте коэффициенты
CaO + 2HNO 3 = Сa(NO 3) 2 + H 2 O - Определите моль реагентов по формуле: ν = m/M
ν(CaO) = 14/56=0,25 моль;
ν(HNO 3) = 37,8/63=0,6 моль. - Над уравнением реакции напишите рассчитанные количества вещества. Под уравнением — количества вещества согласно стехиометрическим коэффициентам.
- Определите вещество, взятое в недостатке, сравнив отношения взятых количеств веществ к стехиометрическим коэффициентам.
0,25/1 < 0,6/2
Следовательно, в недостатке взята азотная кислота. По ней и будем определять массу продукта. - Под формулой нитрата кальция (Ca(NO 3) 2) в уравнении проставьте:
а) количество вещества, согласно стехиометрического коэффициента;
б) произведение молярной массы на количество вещества. Над формулой (Са(NO 3) 2) — х г.0,25 моль 0,6 моль х г CaO + 2HNO 3 = Сa(NO 3) 2 + H 2 O 1 моль 2 моль 1 моль m = 1×164 г - Составьте пропорцию
0,25/1=х/164 - Определите х
х = 41 г - Запишите ответ.
Ответ: масса соли (Ca(NO 3) 2) составит 41 г.
Расчёты по термохимическим уравнениям реакций
Задание:
Сколько теплоты выделится при растворении 200 г оксида меди (II) (СuO) в соляной кислоте (водный раствор HCl), если термохимическое уравнение реакции:
CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O + 63,6 кДж
Решение:
- Данные из условия задачи написать над уравнением реакции
- Под формулой оксида меди написать его количество (согласно коэффициенту); произведение молярной массы на количество вещества. Над количеством теплоты в уравнении реакции поставить х.
200 г CuO + 2HCl = CuCl 2 + H 2 O + 63,6 кДж 1 моль m = 1×80 г - Составить пропорцию.
200/80=х/63,6 - Вычислить х.
х=159 кДж - Записать ответ.
Ответ: при растворении 200 г CuO в соляной кислоте выделится 159 кДж теплоты.
Составление термохимического уравнения
Задание:
При сжигании 6 г магния выделяется 152 кДж тепла. Составить термохимическое уравнение образования оксида магния.
Решение:
- Записать уравнение химической реакции, показав выделение тепла. Расставить коэффициенты.
2Mg + O 2 = 2MgO + Q 6 г 152 2Mg + O 2 = 2MgO + Q - Под формулами веществ написать:
а) количество вещества (согласно коэффициентам);
б) произведение молярной массы на количество вещества. Под тепловым эффектом реакции поставить х.
- Составить пропорцию.
6/(2×24)=152/х - Вычислить х (количество теплоты, согласно уравнению)
х=1216 кдж - Записать в ответе термохимическое уравнение.
Ответ: 2Mg + O 2 = 2MgO + 1216 кДж
Расчет объёмов газов по химическим уравнениям
Задание:
При окислении аммиака (NH 3) кислородом в присутствии катализатора образуется оксид азота (II) и вода. Какой объём кислорода вступит в реакцию с 20 л аммиака?
Решение:
- Записать уравнение реакции и расставить коэффициенты.
4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O - Данные из условия задачи написать над уравнением реакции.
20 л x 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O - Под уравнением реакции записать количества веществ согласно коэффициентам.
- Составить пропорцию.
20/4=х/5 - Найти х.
х= 25 л - Записать ответ.
Ответ: 25 л кислорода.
Определение объема газообразного продукта по известной массе реагента, содержащего примеси
Задание:
Какой объём (н.у) углекислого газа (СО 2) выделится при растворении 50 г мрамора (СаСО 3), содержащего 10 % примесей в соляной кислоте?
Решение:
- Записать уравнение химической реакции, расставить коэффициенты.
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 - Рассчитать количество чистого СаСО 3 , содержащегося в 50 г мрамора.
ω(СаСО 3) = 100% — 10% =90%
Для перевода в доли от единицы поделить на 100%.
w(СаСО 3) = 90%/100%=0,9
m(CaCO 3) = m(мрамора)×w(СаСО 3) = 50×0,9 = 45 г - Полученное значение написать над карбонатом кальция в уравнении реакции. Над СО 2 поставить х л.
45 г x CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 - Под формулами веществ записать:
а) количество вещества, согласно коэффициентам;
б) произведение молярной массы на кол-во вещества, если говорится о массе вещества, и произведение молярного объёма на количество вещества, если говорится об объёме вещества.45 г x CaCO 3 + 2HCl = Расчет состава смеси по уравнению химической реакции
Задание:
На полное сгорание смеси метана и оксида углерода (II) потребовался такой же объём кислорода. Определите состав газовой смеси в объёмных долях.
Решение:
- Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты.
СО + 1/2О 2 = СО 2
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О - Обозначить количество вещества угарного газа (СО) — х, а количество метана за у
х СО + 1/2О 2 = СО 2 у СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О - Определить количество кислорода, которое будет израсходовано на сжигание х моль СО и у моль СН 4 .
х 0,5 х СО + 1/2О 2 = СО 2 у 2у СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О - Сделать вывод о соотношении количества вещества кислорода и газовой смеси.
Равенство объёмов газов свидетельствует о равенстве количеств вещества. - Составить уравнение.
х + у = 0,5х + 2у - Упростить уравнение.
0,5 х = у - Принять количество СО за 1 моль и определить требуемое количество СН 4 .
Если х=1, то у=0,5 - Найти общее количество вещества.
х + у = 1 + 0,5 = 1,5 - Определить объёмную долю оксида монооксида углерода (СО) и метана в смеси.
φ(СО) = 1/1,5 = 2/3
φ(СН 4) = 0,5/1,5 = 1/3 - Записать ответ.
Ответ: объёмная доля СО равна 2/3, а СН 4 — 1/3.
Справочный материал:
Таблица Менделеева
Таблица растворимости
- Записать уравнения реакций, расставить коэффициенты.
Наверное, каждый школьник или студент технического ВУЗа хотя бы раз задавался вопросом о том, как решить задачи по химии. Как показывает практика, большинство учеников считают эту науку сложной и непостижимой, часто они попросту не верят в свои силы и сдаются, так и не раскрыв свой потенциал.
На самом же деле химия является проблемой только с психологической точки зрения. Преодолев себя, осознав свои возможности, вы с легкостью освоите азы этого предмета и перейдете к более сложным вопросам. Итак, учимся решать задачи по химии быстро, правильно и легко, а также получаем максимальное удовольствие от результата.
Почему не стоит бояться вникать в науку
Химия - это не совокупность непонятных формул, обозначений и веществ. Это наука, тесно связанная с окружающей средой. Сами того не осознавая, мы сталкиваемся с ней на каждом шагу. При приготовлении пищи, влажной уборке дома, стирке, прогулке на свежем воздухе мы постоянно используем химические знания.
Следуя этой логике, когда вы поймете, как научиться решать задачи по химии, вы сможете значительно облегчить себе жизнь. А вот люди, которые сталкиваются с наукой во время учебы или работы на производстве, вообще не могут обойтись без специальных знаний и умений. Работникам медицинской сферы химия нужна не меньше, поскольку любой человек этой профессии обязан знать, как то или иное лекарство влияет на организм пациента.
Химия - это наука, которая присутствует в нашей жизни постоянно, она взаимосвязана с человеком, она является его частью. Поэтому любой ученик, осознает он это или нет, способен освоить эту отрасль знаний.
Основы химии
Прежде чем размышлять над вопросом о том, как научиться решать задачи по химии, важно понять, что без базовых знаний вам не обойтись. Азы любой науки - это фундамент ее постижения. Даже опытные специалисты при решении сложнейших задач используют эту основу, возможно, сами того не осознавая.
Итак, ознакомьтесь со списком информации, который вам понадобится:
- Валентность элементов - это фактор, с участием которого решаются любые задачи. Формулы веществ, уравнения не будут составлены правильно без этих знаний. Узнать, что такое валентность, можно в любом учебнике химии, поскольку это основное понятие, которое любой ученик должен освоить еще на первом уроке.
- Таблица Менделеева знакома практически каждому человеку. Научитесь ею правильно пользоваться, и вы сможете не удерживать у себя в голове множество сведений.
- Научитесь определять, с каким веществом вы имеете дело. Жидкое, твердое и газообразное состояние предмета, с которым вам предстоит работать, может о многом рассказать.
После получения вышеперечисленных знаний вопросов о том, как решить задачи по химии, у многих людей станет гораздо меньше. Но если вы все же так и не смогли поверить в себя, читайте далее.
Пошаговая инструкция решения любой задачи
После прочтения предыдущей информации у многих может возникнуть мнение, что крайне просто решать задачи по химии. Формулы, которые необходимо знать, возможно, действительно просты, но для освоения науки вам понадобится собрать все свое терпение, трудолюбие и настойчивость. С первого раза немногим людям удается достичь своей цели.
Со временем, при проявлении настойчивости, вы сможете решить абсолютно любую задачу. Обычно процесс состоит из таких этапов:
- Оформление краткого условия задачи.
- Составление уравнения реакции.
- Расставление коэффициентов в уравнении.
- Решение уравнения.
Опытные педагоги по химии уверяют, что для свободного решения любого типа задач нужно самостоятельно упражняться на 15 аналогичных заданиях. После этого вы свободно овладеете заданной тематикой.
Немного о теории
Нельзя размышлять о том, как решить задачи по химии, не освоив в нужной степени теоретический материал. Каким бы сухим, бесполезным и неинтересным он ни казался, это основа ваших умений. Теория применяется всегда и во всех науках. Без ее существования практика не имеет смысла. Изучайте школьную программу по химии последовательно, шаг за шагом, не пропуская даже, как вам кажется, незначительных сведений, чтобы в конечном итоге заметить прорыв в ваших знаниях.
Как решить задачи по химии: время на обучение
Часто ученики, которые освоили определенный тип задач, двигаются дальше, забывая о том, что закрепление и повторение знаний - это процесс, не менее важный, чем их получение. Каждая тема должна быть закреплена, если вы рассчитываете на долгосрочный результат. В противном случае вы очень быстро забудете всю информацию. Поэтому не ленитесь, уделите больше времени каждому вопросу.
Наконец, не забывайте о мотивации - двигателе прогресса. Хотите стать отличным химиком и удивлять окружающих огромным багажом знаний? Действуйте, старайтесь, решайте, и у вас все получится. Тогда уже с вами будут советоваться по всем химическим вопросам.
МуниципальноЕ БЮДЖЕТНОЕ общеобразовательнОЕ учреждениЕ
«Средняя общеобразовательная школа № 37
с углублённым изучением отдельных предметов»
г. Выборг, Ленинградская область
«Решение расчётных задач повышенного уровня сложности»
(материалы по подготовке К ЕГЭ)
учитель химии
Подкладова Любовь Михайловна
2015 г.
Статистика проведения ЕГЭ свидетельствует, что примерно половина школьников справляется с половиной заданий. Анализируя итоги проверки результатов ЕГЭ по химии обучающихся нашей школы, я пришла к выводу, что необходимо усилить работу по решению расчётных задач, поэтому выбрала методическую тему «Решение задач повышенной сложности».
Задачи - особый вид заданий, требующий от обучающихся применения знаний в составлении уравнений реакций, иногда нескольких, составления логической цепочки в проведении расчётов. В результате решения из определенного набора исходных данных должны быть получены новые факты, сведения, значения величин. Если алгоритм выполнения задания заранее известен, оно превращается из задачи в упражнение, цель которых – превращение умений в навыки, доведение их до автоматизма. Поэтому на первых занятиях по подготовке обучающихся к ЕГЭ напоминаю о величинах и единицах их измерения.
Величина
Обозначение
Единицы измерения
в разных системах
г, мг, кг, т, …*(1г = 10 -3 кг)
л, мл, см 3 , м 3 , …
*(1мл = 1см 3 , 1 м 3 = 1000л)
Плотность
г/ мл, кг/ л, г/ л,…
Относительная атомная масса
Относительная молекулярная масса
г/ моль, …
Молярный объём
V m или V M
л/моль, …(при н.у. – 22,4 л/моль)
Количество вещества
моль, кмоль, млмоль
Относительная плотность одного газа по другому
Массовая доля вещества в смеси или растворе
Объёмная доля вещества в смеси или растворе
Молярная концентрация
моль/ л
Выход продукта от теоретически возможного
Постоянная Авогадро
N A
6,02 10 23 моль -1
Температура
t 0 или
по шкале Цельсия
по шкале Кельвина
Давление
Па, кПа, атм., мм. рт. ст.
Универсальная газовая постоянная
8,31 Дж/моль∙ К
Нормальные условия
t 0 = 0 0 C или Т = 273К
Р = 101,3 кПа = 1атм = 760 мм. рт. ст.
Затем предлагаю алгоритм решения задач, который использую на протяжении нескольких лет в своей работе.
«Алгоритм решения расчётных задач».
V (р-ра) V (р-ра)
↓ρ ∙ V m / ρ
m (р-ра) m (р-ра)
↓m ∙ ω m / ω
m (в-ва) m (в-ва)
↓ m / M M ∙ n
n 1 (в-ва) -- по ур. р-ции. → n 2 (в-ва) →
V (газа) / V M ↓ n ∙ V M
V 1 (газа) V 2 (газа )
Формулы, используемые для решения задач.
n = m / M n (газа) = V (газа) / V M n = N / N A
ρ = m / V
D = M 1(газа) / M 2(газа)
D (H 2 ) = M (газа) / 2 D (возд.) = M ( газа) / 29
(М (Н 2 ) = 2 г/моль; М (возд.) = 29 г/моль)
ω = m (в-ва) / m (смеси или р-ра) = V (в-ва) / V (смеси или р-ра)
= m (практ.) / m (теор.) = n (практ.) / n (теор.) = V (практ.) / V (теор.)
С = n / V
М (смеси газов) = V 1 (газа) ∙ M 1(газа) + V 2 (газа) ∙ M 2(газа) / V (смеси газов)
Уравнение Менделеева – Клапейрона:
P ∙ V = n ∙ R ∙ T
Для сдачи ЕГЭ, где типы заданий достаточно стандартны (№24, 25, 26), обучающемуся нужно прежде всего показать знание стандартных алгоритмов вычислений, и только в задании №39 ему может встретиться задание с неопределенным для него алгоритмом.
Классификация химических задач повышенной сложности затруднена тем, что большинство из них – задачи комбинированные. Я разделила расчетные задачи на две группы.
1.Задачи без использования уравнений реакций. Описывается некоторое состояние вещества или сложной системы. Зная одни характеристики этого состояния, надо найти другие. Примером могут служить задачи:
1.1 Расчеты по формуле вещества, характеристикам порции вещества
1.2 Расчеты по характеристикам состава смеси, раствора.
Задачи встречаются в ЕГЭ - № 24. Для обучающихся решение таких задач не вызывает затруднений.
2. Задачи с использованием одного или нескольких уравнений реакций. Для их решения кроме характеристик веществ надо использовать и характеристики процессов. В задачах этой группы можно выделить следующие типы задач повышенной сложности:
2.1 Образование растворов.
1) Какую массу оксида натрия необходимо растворить в 33,8 мл воды, чтобы получить 4%-ный раствор гидроксида натрия.
Найти:
m (Na 2 O )
Дано:
V (H 2 O ) = 33.8 мл
ω (NaOH ) = 4%
ρ (H 2 O ) = 1 г/мл
М (NaOH ) = 40 г/моль
m (H 2 O) = 33.8 г
Na 2 O + H 2 O = 2 NaOH
1 моль 2моль
Пусть масса Na 2 O = x .
n (Na 2 O) = x/62
n (NaOH) = x/31
m (NaOH ) = 40x /31
m (р-ра) = 33.8 + x
0,04 = 40x /31∙ (33.8 + x )
x = 1,08, m (Na 2 O ) = 1,08 г
Ответ: m (Na 2 O ) = 1,08 г
2) К 200 мл раствора гидроксида натрия (ρ = 1,2 г/мл) с массовой долей щёлочи 20% добавили металлический натрий массой 69 г.
Какова массовая доля вещества в образовавшемся растворе?
Найти:
ω 2 (NaOH )
Дано:
V (NaO Н) р-ра = 200 мл
ρ (р-ра) = 1,2 г/мл
ω 1 (NaOH ) = 20%
m (Na ) = 69 г
М (Na ) =23 г/моль
Металлический натрий взаимодействует с водой в растворе щёлочи.
2Na + 2H 2 O = 2 NaOH + H 2
1 моль 2моль
m 1 (р-ра) = 200 ∙ 1,2 = 240 (г)
m 1 (NaOH ) в-ва = 240 ∙ 0,2 = 48 (г)
n (Na ) = 69/23 = 3 (моль)
n 2 (NaOH ) = 3 (моль)
m 2 (NaOH ) = 3 ∙ 40 = 120 (г)
m общ. (NaOH ) =120 + 48 = 168 (г)
n (Н 2) = 1,5 моль
m (H 2) = 3 г
m (р-ра после р-ции) = 240 + 69 – 3 = 306 (г)
ω 2 (NaOH ) = 168 / 306 = 0,55 (55%)
Ответ: ω 2 (NaOH ) = 55%
3) Какую массу оксида селена(VI ) следует добавить к 100 г 15%-ного раствора селеновой кислоты, чтобы увеличить её массовую долю вдвое?
Найти:
m (SeO 3)
Дано:
m 1 (H 2 SeO 4) р-ра = 100 г
ω 1 (H 2 SeO 4) = 15%
ω 2 (H 2 SeO 4) = 30%
М (SeO 3) =127 г/моль
М (H 2 SeO 4) =145 г/моль
m 1 (H 2 SeO 4 ) = 15 г
SeO 3 + H 2 O = H 2 SeO 4
1 моль 1моль
Пусть m (SeO 3) = x
n (SeO 3 ) = x/127 = 0.0079x
n 2 (H 2 SeO 4 ) = 0.0079x
m 2 (H 2 SeO 4 ) = 145 ∙ 0.079x = 1.1455x
m общ . (H 2 SeO 4 ) = 1.1455x + 15
m 2 (р-ра) = 100 + х
ω (NaOH ) = m (NaOH ) / m (р-ра)
0,3 = (1.1455x + 1) /100 + x
x = 17,8, m (SeO 3 ) = 17,8 г
Ответ: m (SeO 3) = 17,8 г
2.2 Расчет по уравнениям реакций, когда одно из веществ находится в избытке/
1) К раствору, содержащему 9,84 г нитрата кальция, прибавили раствор, содержащий 9,84 г ортофосфата натрия. Образовавшийся осадок отфильтровали, а фильтрат выпарили. Определите массы продуктов реакции и состав сухого остатка в массовых долях после выпаривания фильтрата, если считать, что образуются безводные соли.
Найти:
ω (NaNO 3)
ω (Na 3 PO 4)
Дано:
m (Сa (NO 3) 2)= 9,84 г
m (Na 3 PO 4)= 9,84 г
М (Na 3 PO 4) = 164 г/моль
М (Сa (NO 3) 2)=164 г/моль
М (NaNO 3) =85 г/моль
М (Ca 3 (PO 4) 2) = 310 г/моль
2Na 3 PO 4 + 3 Сa(NO 3 ) 2 = 6NaNO 3 + Ca 3 (PO 4 ) 2 ↓
2 моль 3 моль 6 моль 1 моль
n (Сa(NO 3 ) 2 ) общ . = n (Na 3 PO 4 ) общ . = 9,84/164 =
Сa (NO 3) 2 0,06/3 < 0,06/2 Na 3 PO 4
Na 3 PO 4 взято в избытке,
расчёты проводим по n (Сa (NO 3) 2).
n (Ca 3 (PO 4) 2) = 0,02 моль
m (Ca 3 (PO 4) 2) = 310 ∙ 0,02 = 6,2 (г)
n (NaNO 3) = 0,12 моль
m (NaNO 3) = 85 ∙ 0,12 = 10,2 (г)
В состав фильтрата входит раствор NaNO 3 и
раствор избытка Na 3 PO 4.
n прореаг. (Na 3 PO 4) =0,04 моль
n ост. (Na 3 PO 4) = 0,06 - 0,04 = 0,02(моль)
m ост. (Na 3 PO 4) = 164 ∙ 0,02 = 3,28 (г)
Сухой остаток содержит смесь солей NaNO 3 и Na 3 PO 4.
m (сух.ост.) = 3,28 + 10,2 = 13,48 (г)
ω (NaNO 3) = 10,2 / 13,48 = 0,76 (76%)
ω (Na 3 PO 4) = 24%
Ответ: ω (NaNO 3) = 76%, ω (Na 3 PO 4) = 24%
2) Сколько литров хлора выделится, если к 200 мл 35% - ной соляной кислоты
(ρ =1,17 г/мл) добавить при нагревании 26,1 г оксида марганца (IV ) ? Сколько г гидроксида натрия в холодном растворе прореагирует с этим количеством хлора?
Найти:
V (Cl 2)
m (NaO Н)
Дано:
m (MnO 2) = 26,1 г
ρ (HCl р-ра) = 1,17 г/мл
ω (HCl ) = 35%
V (HCl ) р-ра) = 200 мл.
М (MnO 2) =87 г/моль
М (HCl ) =36,5 г/моль
М (NaOH ) = 40 г/моль
V (Cl 2) = 6,72 (л)
m (NaOH ) = 24 (г)
MnO 2 + 4 HCl = MnCl 2 +Cl 2 + 2 H 2 O
1 моль 4моль 1 моль
2 NaO Н + Cl 2 = Na Cl+ Na ClO + H 2 O
2 моль 1 моль
n (MnO 2) =26.1 /87 = 0,3(моль)
m р-ра (НCl ) = 200 ∙ 1,17 = 234 (г)
m общ. (НCl ) = 234 ∙ 0,35 = 81,9 (г)
n (НCl ) = 81,9 /36,5 = 2,24(моль)
0,3 < 2.24 /4
НCl - в избытке, расчёты по n (MnO 2)
n (MnO 2) = n (Cl 2) =0,3 моль
V (Cl 2) = 0,3∙ 22,4 = 6,72 (л)
n (NaOH ) = 0,6 моль
m (NaOH ) = 0,6 ∙ 40 = 24 (г)
2.3 Состав раствора, полученного в ходе реакции.
1) В 25 мл 25%-ного раствора гидроксида натрия (ρ =1,28 г/мл) растворён оксид фосфора (V ), полученный при окислении 6,2 г фосфора. Какого состава образуется соль и какова её массовая доля в растворе?
Найти:
ω (соли)
Дано:
V (NaOH ) р-ра = 25 мл
ω (NaOH ) = 25%
m (Р) = 6,2 г
ρ (NaOH ) р-ра = 1,28 г/мл
М (NaOH ) = 40 г/моль
М (Р) =31 г/моль
М (Р 2 О 5) = 142 г/моль
М (NaH 2 РО 4) = 120г/моль
4Р + 5О 2 = 2 Р 2 О 5
4моль 2моль
6 NaO Н + Р 2 О 5 = 2 Na 3 РО 4 + 3 H 2 O
4 NaO Н + Р 2 О 5 = 2 Na 2 H РО 4 + H 2 O
n (Р) =6,2/31 = 0,2 (моль)
n (Р 2 О 5) = 0,1 моль
m (Р 2 О 5) = 0,1 ∙ 142 = 14,2 (г)
m (NaO Н) р-ра = 25 ∙ 1,28 = 32 (г)
m (NaO Н) в-ва =0,25 ∙ 32 = 8 (г)
n (NaO Н) в-ва = 8/40 = 0,2 (моль)
По количественному соотношению NaO Н и Р 2 О 5
можно сделать вывод, что образуется кислая соль NaH 2 РО 4.
2 NaO Н + Р 2 О 5 + H 2 O = 2 NaH 2 РО 4
2моль 1 моль 2моль
0,2моль 0,1 моль 0,2моль
n (NaH 2 РО 4) = 0,2 моль
m (NaH 2 РО 4) = 0,2 ∙ 120 = 24 (г)
m (р-ра после р-ции) = 32 + 14,2 = 46,2 (г)
ω (NaH 2 РО 4) = 24/ 46,2 = 0 52 (52%)
Ответ: ω (NaH 2 РО 4) = 52%
2) При электролизе 2 л водного раствора сульфата натрия с массовой долей соли 4%
(ρ = 1,025 г/мл) на нерастворимом аноде выделилось 448 л газа (н.у.) Определите массовую долю сульфата натрия в растворе после электролиза.
Найти:
m (Na 2 O )
Дано :
V (р-ра Na 2 SO 4) = 2л = 2000 мл
ω (Na 2 SO 4 ) = 4%
ρ (р- ра Na 2 SO 4 )=1 г/ мл
М (Н 2 O ) =18 г/моль
V (О 2) = 448 л
V М = 22,4 л/ моль
При электролизе сульфата натрия проходит разложение воды, на аноде выделяется газ кислород.
2 H 2 O = 2 H 2 + О 2
2 моль 1моль
n (О 2) = 448/22,4 = 20 (моль)
n (H 2 O ) = 40 моль
m (H 2 O ) разл. = 40 ∙ 18 = 720 (г)
m (р-ра до эл-за) = 2000 ∙ 1,025 = 2050 (г)
m (Na 2 SO 4) в-ва = 2050 ∙ 0,04 = 82 (г)
m (р-ра после эл-за) = 2050 – 720 = 1330 (г)
ω (Na 2 SO 4 ) = 82 / 1330 = 0,062 (6,2%)
Ответ: ω (Na 2 SO 4 ) = 0,062 (6,2%)
2.4 В реакцию вступает смесь известного состава, необходимо найти порции затраченных реагентов, и /или полученных продуктов.
1) Определить объём смеси газов оксида серы (IV ) и азота, в которой содержится 20 % сернистого газа по массе, который надо пропустить через 1000 г 4%-ного раствора гидроксида натрия, чтобы массовые доли солей, образующихся в растворе, стали одинаковыми.
Найти:
V (газов)
Дано:
m (NaOH ) = 1000 г
ω (NaOH ) = 4%
m (средней соли) =
m (кислой соли)
М (NaOH ) =40 г/моль
Ответ: V (газов) = 156,8
NaO Н + SO 2 = NaHSO 3 (1)
1 моль 1 моль
2NaO Н + SO 2 = Na 2 SO 3 + H 2 O (2)
2 моль 1моль
m (NaOH ) в-ва = 1000 ∙ 0,04 = 40 (г)
n (NaOH ) = 40/40 = 1 (моль)
Пусть n 1 (NaOH ) = x , тогда n 2 (NaOH ) = 1 - x
n 1 (SO 2 ) = n (NaHSO 3 ) = x
M (NaHSO 3 ) = 104 x n 2 (SO 2 ) = (1 – x) / 2 = 0,5 ∙ (1 – x)
m (Na 2 SO 3) = 0,5 ∙ (1 – x ) ∙ 126 = 63 (1 – х)
104 x = 63 (1 – х)
х = 0,38 моль
n 1 (SO 2) =0,38 моль
n 2 (SO 2 ) = 0,31 моль
n общ . (SO 2 ) = 0,69 моль
m общ. (SO 2) = 0,69 ∙ 64 = 44,16 (г) – это составляет 20% от массы смеси газов. Масса газа азота составляет 80 %.
m (N 2) = 176,6 г, n 1 (N 2) = 176,6 / 28 = 6,31 моль
n общ. (газов)= 0,69 + 6,31 = 7 моль
V (газов) = 7 ∙ 22,4 = 156,8 (л)
2) При растворении 2,22 г смеси железных и алюминиевых опилок в 18,25%-ном растворе соляной кислоты (ρ = 1,09 г/мл) выделилось 1344 мл водорода (н.у.). Найдите процентное содержание каждого из металлов в смеси и определите объём соляной кислоты, который потребовался для растворения 2,22 г смеси.
Найти:
ω (Fe )
ω (Al )
V (HCl ) р-ра
Дано:
m (смеси) = 2,22 г
ρ (HCl р-ра) = 1,09 г/мл
ω (HCl ) = 18,25%
M (Fe ) = 56 г/моль
М (Al ) =27 г/моль
М (HCl ) =36,5 г/моль
Ответ: ω (Fe ) = 75.7%,
ω (Al ) = 24,3%,
V (HCl ) р-ра) = 22 мл.
Fe + 2HCl = 2 FeCl 2 + H 2
1 моль 2моль 1 моль
2Al + 6HCl = 2 AlCl 3 + 3H 2
2 моль 6 моль 3моль
n (Н 2) =1,344 /22.4 = 0.06 (моль)
Пусть m (Al ) = x , тогда m (Fe ) = 2,22 - х;
n 1 (Н 2) = n (Fe ) =(2.22 – x ) / 56
n (Al ) = х / 27
n 2 (Н 2) = 3х / 27∙ 2 = х / 18
x /18 +(2,22 – х) / 56 = 0,06
х = 0,54, m (Al ) = 0,54 г
ω (Al ) = 0,54 / 2.22 = 0.243 (24.3%)
ω (Fe ) = 75.7%
n (Al ) = 0.54 / 27 = 0.02 (моль)
m (Fe ) = 2,22 – 0.54 = 1.68 (г)
n (Fe ) =1.68 / 56 = 0,03 (моль)
n 1 (НCl ) = 0.06 моль
n (NaOH ) = 0,05 моль
m р-ра (NaOH ) = 0,05 ∙ 40/0.4 = 5 (г)
V (HCl ) р-ра = 24/1,09 = 22 (мл)
3) Газ, полученный при растворении 9,6 г меди в концентрированной серной кислоте, пропустили через 200 мл раствора гидроксида калия (ρ =1 г/мл, ω (К OH ) = 2,8 %). Какого состава образуется соль? Определить её массу.
Найти:
m (соли)
Дано:
m (Cu ) = 9.6 г
V (КO Н) р-ра = 200 мл
ω (КOH ) = 2,8%
ρ (H 2 O ) = 1 г/мл
М (Cu ) =64 г/моль
М (КOH ) =56 г/моль
М (КНSO 3) =120 г/моль
Ответ: m (КНSO 3) = 12 г
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
1 моль 1 моль
КO Н + SO 2 = KHSO 3
1 моль 1 моль
2 КO Н + SO 2 = K 2 SO 3 + H 2 O
2 моль 1моль
n (SO 2) = n (Cu ) =6,4/64 = 0,1 (моль)
m (КO Н) р-ра = 200 г
m (КO Н) в-ва = 200 г ∙ 0,028 = 5,6 г
n (КO Н) =5,6/56 = 0,1 (моль)
По количественному соотношению SO 2 и КОН можно сделать вывод, что образуется кислая соль KHSO 3.
КO Н + SO 2 = KHSO 3
1 моль 1 моль
n (КНSO 3) = 0,1 моль
m (КНSO 3) = 0,1 ∙ 120 = 12 г
4) Через 100 мл 12,33% - ного раствора хлорида железа (II ) (ρ =1.03г/мл) пропускали хлор до тех пор, пока концентрация хлорида железа (III ) в растворе не стала равна концентрации хлорида железа (II ). Определите объём поглощённого хлора (н.у.)
Найти:
V (Cl 2)
Дано:
V (FeCl 2) = 100 мл
ω (FeCl 2) = 12,33%
ρ (р-ра FeCl 2) =1,03г/мл
М (FeCl 2) = 127 г/моль
М (FeCl 3) = 162,5 г/моль
V М = 22,4 л/ моль
m (FeCl 2) р-ра = 1,03 ∙ 100 = 103 (г)
m (FeCl 2) р-в-ва = 103 ∙ 0,1233 = 12,7 (г)
2FeCl 2 + Cl 2 = 2 FeCl 3
2 моль 1моль 2моль
Пусть n (FeCl 2) прореаг. = х, тогда n (FeCl 3) обр. = х;
m (FeCl 2) прореаг. = 127х
m (FeCl 2) ост. = 12,7 - 127х
m (FeCl 3) обр. = 162,5х
По условию задачи m (FeCl 2) ост. = m (FeCl 3)
12,7 - 127х = 162,5х
х = 0,044, n (FeCl 2) прореаг. = 0,044 моль
n (Cl 2) = 0,022 моль
V (Cl 2) = 0,022 ∙ 22,4 = 0,5 (л)
Ответ: V (Cl 2) = 0,5 (л)
5) После прокаливания смеси карбонатов магния и кальция масса выделившегося газа оказалась равна массе твёрдого остатка. Определит массовые доли веществ в исходной смеси. Какой объём углекислого газа (н.у.) может быть поглощён 40 г этой смеси, находящейся в виде суспензии.
Найти:
ω (MgCO 3)
ω (CaCO 3)
Дано:
m (тв.прод.) = m (газа )
m (смеси карбонатов )=40г
М (MgO ) = 40 г/моль
М СаO = 56 г/моль
М (CO 2) = 44 г/моль
М (MgCO 3) = 84 г/моль
М (СаCO 3) = 100 г/моль
1) Проведём расчеты, используя 1 моль смеси карбонатов.
MgCO 3 = MgO + CO 2
1моль 1 моль 1моль
CaCO 3 = CaO + CO 2
1 моль 1моль 1моль
Пусть n (MgCO 3) = x , тогда n (CaCO 3) = 1 – x .
n (MgO) = x, n (CaO) = 1 - x
m (MgO) = 40x
m (СаO ) = 56 ∙ (1 – x ) = 56 – 56x
Из смеси, взятой количеством 1 моль, образуется углекислый газ, количеством 1 моль.
m (CO 2) = 44.г
m (тв.прод.) = 40x + 56 - 56x = 56 - 16x
56 - 16x = 44
x = 0,75,
n (MgCO 3) = 0,75 моль
n (СаCO 3) = 0,25 моль
m (MgCO 3) = 63 г
m (СаCO 3) = 25 г
m (смеси карбонатов) = 88 г
ω (MgCO 3) = 63/88 = 0,716 (71,6%)
ω (CaCO 3) = 28,4%
2) Суспензия смеси карбонатов при пропускании углекислого газа превращается в смесь гидрокарбонатов.
MgCO 3 + CO 2 + H 2 O = Mg(НCO 3 ) 2 (1)
1 моль 1 моль
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(НCO 3 ) 2 (2)
1 моль 1моль
m (MgCO 3) = 40 ∙ 0,75 = 28,64(г)
n 1 (СO 2) = n (MgCO 3) = 28,64/84 = 0,341 (моль)
m (СаCO 3) = 11,36 г
n 2 (СO 2) = n (СаCO 3) =11,36/100 = 0,1136 моль
n общ. (СO 2) = 0,4546 моль
V (CO 2) = n общ. (СO 2) ∙ V М = 0,4546∙ 22,4 = 10,18 (л)
Ответ: ω (MgCO 3) = 71,6%, ω (CaCO 3) = 28,4%,
V (CO 2 ) = 10,18 л.
6) Смесь порошков алюминия и меди массой 2,46 г нагрели в токе кислорода. Полученное твёрдое вещество растворили в 15 мл раствора серной кислоты (массовая доля кислоты 39,2%, плотность 1,33 г/мл). Смесь полностью растворилась без выделения газа. Для нейтрализации избытка кислоты потребовался 21 мл раствора гидрокарбоната натрия с концентрацией 1,9 моль/л. Вычислите массовые доли металлов в смеси и объём кислорода (н.у.), вступившего в реакцию .
Найти:
ω (Al ); ω (Cu )
V (O 2)
Дано:
m (смеси) = 2.46 г
V (NaHCO 3 ) = 21 мл=
0,021 л
V (H 2 SO 4 ) = 15 мл
ω(H 2 SO 4 ) = 39,2%
ρ (H 2 SO 4 ) = 1,33 г/ мл
С(NaHCO 3) = 1,9моль/л
М(Al )=27 г/моль
М(Cu )=64 г/моль
М(H 2 SO 4)=98 г/моль
V м = 22,4 л/моль
Ответ: ω (Al ) = 21.95%;
ω (Cu ) = 78.05%;
V (O 2) = 0,672
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
4моль 3 моль 2моль
2Cu + O 2 = 2CuO
2моль 1 моль 2 моль
Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O (1)
1 моль 3 моль
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O (2)
1 моль 1 моль
2 NaHCO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O + СО 2 (3)
2 моль 1 моль
m (H 2 SO 4) р-ра =15 ∙ 1,33 = 19.95 (г)
m (H 2 SO 4) в-ва = 19.95 ∙ 0,393 = 7,8204 (г)
n (H 2 SO 4) общ = 7,8204/98 = 0,0798 (моль)
n (NaHCO 3) = 1,9 ∙ 0,021 = 0,0399 (моль)
n 3 (H 2 SO 4 ) = 0,01995 (моль)
n 1+2 (H 2 SO 4 ) =0,0798 – 0,01995 = 0,05985 (моль)
4) Пусть n (Al) = x, . m (Al) = 27x
n (Cu) = y, m (Cu) = 64y
27x + 64y = 2,46
n (Al 2 O 3 ) = 1,5x
n (CuO) = y
1,5x + y = 0.0585
x = 0,02; n (Al) = 0.02 моль
27x + 64y = 2,46
y = 0,03; n (Cu) = 0,03 моль
m (Al) = 0,02 ∙ 27 = 0,54
ω (Al) = 0,54 / 2.46 = 0.2195 (21.95%)
ω (Cu) = 78.05%
n 1 (O 2 ) = 0.015 моль
n 2 (O 2 ) = 0.015 моль
n общ . (O 2 ) = 0.03 моль
V (O 2 ) = 22,4 ∙ 0 03 = 0,672 (л)
7) При растворении в воде 15,4 г сплава калия с натрием выделилось 6,72 л водорода (н.у.) Определите молярное отношение металлов в сплаве.
Найти:
n (К) : n(Na )
m (Na 2 O )
Дано:
m (сплава) = 15,4 г
V (H 2) = 6,72 л
М (Na ) =23 г/моль
М (К) =39 г/моль
n (К) : n (Na ) = 1: 5
2К + 2H 2 O = 2 КOH + H 2
2 моль 1 моль
2Na + 2H 2 O = 2 NaOH + H 2
2 моль 1 моль
Пусть n (К) = x , n (Na ) = у, тогда
n 1 (Н 2) = 0,5 х; n 2 (Н 2) = 0,5у
n (Н 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 (моль)
m (К) = 39 x ; m (Na ) = 23 у
39х + 23 у = 15,4
х = 0,1, n (К) = 0,1 моль;
0,5х + 0,5у = 0,3
у = 0,5, n (Na ) = 0,5 моль
8) При обработке 9 г смеси алюминия с оксидом алюминия 40%-ным раствором гидроксида натрия (ρ =1,4 г/мл) выделилось 3,36 л газа (н.у.). Определить массовые доли веществ в исходной смеси и объём раствора щёлочи, вступивший в реакции.
Найти:
ω (Al )
ω (Al 2 O 3)
V р-ра (NaOH )
Дано:
M (см.) = 9 г
V (H 2) = 33.8мл
ω (NaOH ) = 40%
М(Al ) = 27 г/моль
М(Al 2 O 3) = 102 г/моль
М(NaOH ) = 40 г/моль
2Al + 2 NaOH + 6H 2 O = 2 Na + 3H 2
2 моль 2 моль 3 моль
Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3H 2 O = 2 Na
1моль 2моль
n (H 2) = 3,36/22,4 = 0,15 (моль)
n (Al ) = 0,1 моль m (Al ) = 2.7 г
ω (Al) = 2,7 / 9 = 0,3 (30%)
ω (Al 2 O 3 ) = 70%
m (Al 2 O 3 ) = 9 – 2.7 = 6.3 (г)
n (Al 2 O 3 ) = 6,3 / 102 = 0,06 (моль)
n 1 (NaOH) = 0,1 моль
n 2 (NaOH) = 0,12 моль
n общ . (NaOH) = 0,22 моль
m р - ра (NaOH) = 0,22 ∙ 40 /0.4 = 22 (г)
V р - ра (NaOH) = 22 / 1.4 = 16 (мл)
Ответ: ω (Al) = 30%, ω(Al 2 O 3 ) = 70%, V р - ра (NaOH) = 16 мл
9) Сплав алюминия и меди массой 2 г обработали раствором гидроксида натрия, с массовой долей щёлочи 40 % (ρ =1,4 г/мл). Не растворившийся осадок отфильтровали, промыли и обработали раствором азотной кислоты. Полученную смесь выпарили досуха, остаток прокалили. Масса полученного продукта составила 0,8 г. Определите массовую долю металлов в сплаве и объём израсходованного раствора гидроксида натрия.
Найти:
ω (Cu ); ω (Al )
V р-ра (NaOH )
Дано:
m (смеси)=2 г
ω (NaOH )=40%
М(Al )=27 г/моль
М(Cu )=64 г/моль
М(NaOH )=40 г/моль
В щёлочи растворяется только алюминий.
2Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na + 3 H 2
2моль 2моль 3моль
Медь – нерастворившийся остаток.
3Cu + 8HNO 3 = 3Cu (NO 3 ) 2 + 4 H 2 O + 2 NO
3 моль 3 моль
2Cu(NO 3 ) 2 = 2 CuO + 4NO 2 + O 2
2моль 2моль
n (CuO ) = 0,8 / 80 = 0,01 (моль)
n (CuO) = n (Cu(NO 3 ) 2 ) = n (Cu) = 0,1 моль
m (Cu) = 0,64 г
ω (Cu) = 0,64 / 2 = 0,32 (32%)
ω (Al) = 68%
m (Al ) = 9 – 0,64 = 1,36(г)
n (Al ) = 1,36 / 27 = 0,05 (моль)
n (NaOH ) = 0,05 моль
m р-ра (NaOH ) = 0,05 ∙ 40 / 0.4 = 5 (г)
V р-ра (NaOH ) = 5 / 1.43 = 3,5 (мл)
Ответ: ω (Cu ) = 32%, ω (Al ) = 68%, V р-ра (NaOH ) = 3,5 мл
10) Прокалили смесь нитратов калия, меди и серебра массой 18,36 г. Объём выделившихся газов составил 4,32 л (н.у.). Твёрдый остаток обработали водой, после чего его масса уменьшилась на 3,4 г. Найти массовые доли нитратов в исходной смеси.
Найти :
ω (KNO 3 )
ω (Cu(NO 3 ) 2 )
ω (AgNO 3)
Дано:
m (смеси) = 18,36 г
∆m (твёрд. ост. )=3,4 г
V (CO 2) = 4,32 л
М (КNO 2) =85 г/моль
М (КNO 3) =101 г/моль
2 КNO 3 = 2 КNO 2 + O 2 (1)
2 моль 2 моль 1моль
2 Cu(NO 3 ) 2 = 2 CuO + 4 NO 2 + O 2 (2)
2 моль 2моль 4 моль 1 моль
2 AgNO 3 = 2 Ag + 2 NO 2 + O 2 (3)
2 моль 2моль 2моль 1моль
CuO + 2H 2 O = взаимодействие не возможно
Ag + 2H 2 O = взаимодействие не возможно
КNO 2 + 2H 2 O = растворение соли
Изменение массы твёрдого остатка произошло за счёт растворения соли, следовательно:
m (КNO 2) = 3,4 г
n (КNO 2) = 3,4 / 85 = 0,04 (моль)
n (КNO 3) = 0,04 (моль)
m (КNO 3) = 0,04∙ 101 = 4,04 (г)
ω (KNO 3) = 4,04 / 18,36 = 0,22 (22%)
n 1 (O 2) = 0,02 (моль)
n общ. (газов) = 4,32 / 22,4 = 0,19 (моль)
n 2+3 (газов) = 0,17 (моль)
m (смеси без КNO 3) = 18,36 – 4,04 = 14,32 (г)
Пусть m (Cu(NO 3 ) 2 ) = x, тогда m (AgNO 3 ) = 14,32 – x.
n (Cu(NO 3 ) 2 ) = x / 188,
n (AgNO 3) = (14,32 – x ) / 170
n 2 (газов) = 2,5х / 188,
n 3 (газов) = 1,5 ∙ (14,32 – х) / 170,
2,5х/188 + 1,5 ∙ (14,32 – х) / 170 = 0,17
х = 9,75, m (Cu(NO 3 ) 2 ) = 9,75 г
ω (Cu(NO 3 ) 2 ) = 9,75 / 18,36 = 0,531 (53,1%)
ω (AgNO 3 ) = 24,09%
Ответ: ω (KNO 3 ) = 22%, ω (Cu(NO 3 ) 2 ) = 53,1%, ω (AgNO 3 ) = 24,09%.
11) Смесь гидроксида бария, карбонатов кальция и магния массой 3,05 г прокалили до удаления летучих веществ. Масса твёрдого остатка составила 2,21 г. Летучие продукты привели к нормальным условиям и газ пропустили через раствор гидроксида калия, масса которого увеличилась на 0,66 г. Найти массовые доли веществ в исходной смеси.
ω (Вa (O Н) 2)
ω (Сa СO 3)
ω (Mg СO 3)
m (смеси) = 3,05 г
m (тв.ост.) = 2,21 г
∆ m (КОН) = 0,66 г
М (H 2 O ) =18 г/моль
М (СО 2) =44 г/моль
М (Вa (O Н) 2) =171 г/моль
М (СаСО 2) =100 г/моль
М (Mg СО 2) =84 г/моль
Вa (O Н) 2 = H 2 O + ВaO
1 моль 1моль
Сa СO 3 = СО 2 + СaO
1 моль 1моль
Mg СO 3 = СО 2 + MgO
1 моль 1моль
Масса КОН увеличилась за счёт массы поглощённого СО 2
КОН + СО 2 →…
По закону сохранения массы веществ
m (H 2 O ) =3,05 – 2,21 – 0,66 = 0,18 г
n (H 2 O ) = 0,01 моль
n (Вa (O Н) 2) = 0,01 моль
m (Вa (O Н) 2) = 1,71 г
ω (Вa (O Н) 2) = 1,71 /3.05 = 0.56 (56%)
m (карбонатов) = 3,05 – 1,71 = 1,34 г
Пусть m (Сa СO 3) = x , тогда m (Сa СO 3) = 1,34 – x
n 1 (СO 2) = n (Сa СO 3) = x /100
n 2 (СO 2) = n (Mg СO 3) = (1,34 - x )/84
x /100 + (1,34 - x )/84 = 0,015
x = 0,05, m (Сa СO 3) = 0,05 г
ω (Сa СO 3) = 0,05/3,05 = 0,16 (16%)
ω (Mg СO 3) =28%
Ответ: ω (Вa (O Н) 2) = 56%, ω (Сa СO 3) = 16%, ω (Mg СO 3) =28%
2.5 В реакцию вступает неизвестное веществ o / образуется в ходе реакции.
1) При взаимодействии водородного соединения одновалентного металла со 100 г воды получили раствор с массовой долей вещества 2,38%. Масса раствора оказалась на 0,2 г меньше суммы масс воды и исходного водородного соединения. Определите, какое соединение было взято.
Найти:
Дано:
m (H 2 O ) = 100 г
ω (МеOH ) = 2,38%
∆ m (р-ра) = 0,2 г
М (H 2 O ) = 18 г/моль
МеН + H 2 O = МеOH + Н 2
1 моль 1моль 1моль
0,1 моль 0,1моль 0,1моль
Масса конечного раствора уменьшилась на массу газа водорода.
n (Н 2) = 0,2/2 = 0,1 (моль)
n (H 2 O ) прореаг. = 0,1 моль
m (H 2 O ) прореаг = 1,8 г
m (H 2 O в р-ре ) = 100 – 1,8 = 98,2 (г)
ω (МеOH ) = m (МеOH ) / m (р-ра г/моль
Пусть m (МеOH ) = х
0,0238 = х / (98,2 + x )
x = 2,4, m (МеO Н) = 2,4 г
n (МеO Н) = 0,1 моль
М (МеO Н) = 2,4 / 0,1 = 24 (г/моль)
М (Ме) = 7 г/моль
Ме - Li
Ответ: Li Н.
2) При растворении 260 г неизвестного металла в сильно разбавленной азотной кислоте образуются две соли: Ме(N О 3 ) 2 и X . При нагревании X с гидроксидом кальция выделяется газ, который с ортофосфорной кислотой образует 66 г гидроортофосфата аммония. Определите металл и формулу соли X .
Найти:
Дано:
m (Ме) = 260 г
m ((NH 4) 2 HPO 4) = 66 г
М ((NH 4) 2 HPO 4) =132 г/моль
Ответ: Zn , соль - NH 4 NO 3.
4Me + 10HNO 3 = 4Me(NO 3 ) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4 моль 1 моль
2NH 4 NO 3 +Ca(OH) 2 = Ca(NO 3 ) 2 +2NH 3 + 2H 2 O
2 моль 2 моль
2NH 3 + H 3 PO 4 = (NH 4 ) 2 HPO 4
2 моль 1моль
n ((NH 4) 2 HPO 4) = 66/132 = 0.5 (моль)
n (N Н 3) = n (NH 4 NO 3) = 1 моль
n (Ме) = 4моль
М (Ме) = 260/4 = 65 г/моль
Ме - Zn
3) В 198,2 мл раствора сульфата алюминия (ρ = 1 г/мл) опустили пластину неизвестного двухвалентного металла. Через некоторое время масса пластины уменьшилась на 1,8 г, а концентрация образовавшейся соли составила 18%. Определите металл.
Найти:
ω 2 (NaOH )
Дано:
V р-ра = 198.2 мл
ρ (р-ра) = 1 г/мл
ω 1 (соли) = 18%
∆m (р-ра) =1,8 г
М (Al ) =27 г/моль
Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Me = 2 Al+ 3MeSO 4
3 моль 2 моль 3 моль
m (р-ра до р-ции) = 198.2 (г)
m (р-ра после р-ции) = 198.2 + 1,8 = 200(г)
m (MeSO 4) в-ва = 200 ∙ 0,18 = 36 (г)
Пусть М (Ме) = х, тогда М (MeSO 4) = х + 96
n (MeSO 4) = 36 / (х + 96)
n (Ме) = 36/ (х + 96)
m (Ме) = 36x / (х + 96)
n (Al ) = 24 / (х + 96),
m (Al ) = 24 ∙ 27 / (х + 96)
m (Ме) ─ m (Al ) = ∆m (р-ра)
36x / (х + 96) ─ 24 ∙ 27 / (х + 96) = 1,8
х = 24, М (Ме) = 24 г/моль
Металл - Mg
Ответ: Mg .
4) При термическом разложении 6,4 г соли в сосуде ёмкостью 1 л при 300,3 0 С создалось давление 1430 кПа. Определите формулу соли, если при разложении её образуется вода и плохо растворимый в ней газ.
Найти:
Формулу соли
Дано:
m (соли) = 6,4 г
V (сосуда) = 1 л
Р = 1430 кПа
t =300.3 0 C
R = 8.31Дж/моль∙ К
n (газа) = PV /RT = 1430∙1 / 8,31∙ 573,3 = 0,3 (моль)
Условию задачи отвечают два уравнения:
NH 4 NO 2 = N 2 + 2 H 2 O ( газ)
1 моль 3 моль
NH 4 NO 3 = N 2 O + 2 H 2 O (газ)
1 моль 3 моль
n (соли) = 0,1 моль
М (соли) = 6,4/0,1 = 64 г/моль (NH 4 NO 2)
Ответ: NH 4 N
Литература.
1 .Н.Е.Кузьменко, В.В.Ерёмин, А.В.Попков «Химия для школьников старших классов и поступающих в ВУЗы», Москва, «Дрофа» 1999
2. Г.П.Хомченко, И.Г.Хомченко «Сборник задач по химии», Москва «Новая Волна * Оникс» 2000
3. К.Н.Зеленин, В.П.Сергутина, О.В., О.В.Солод «Пособие по химии для поступающих в Военно – медицинскую академию и другие высшие медицинские учебные заведения»,
Санкт – Петербург, 1999
4. Пособие для поступающих в медицинские институты «Задачи по химии с решениями»,
Санкт – Петербургский медицинский институт им.И.П.Павлова
5. ФИПИ «ЕГЭ ХИМИЯ» 2009 – 2015 г.
Задача 1-1. Сколько молекул содержится в одном литре воды?
Решение
.
Масса одного литра воды:
г.
Количество вещества - удобная универсальная величина, через которую можно связать между собой число атомов или молекул, массу и объем вещества.
Количество вещества можно рассчитать по следующим формулам:
где
- масса,
- молярная масса,
- число атомов или молекул,
моль -1 - постоянная Авогадро.
Молярная масса воды:
(г/моль).
Пользуясь этими формулами, находим:
(моль);
Ответ:
Задача 1-2. Сколько атомов водорода содержится: а) в 10 моль аммиака; б) в 100 г воды?
Решение.
а) Формула аммиака - . Эта формула означает, что в одной молекуле аммиака содержится три атома водорода, а в любом количестве аммиака атомов водорода в три раза больше, чем молекул. Следовательно,
моль;
б) В одной молекуле воды содержится два атома водорода, поэтому в любом количестве воды атомов водорода в два раза больше, чем молекул: 
. количество вещества воды можно определить по массе:
(моль);
(моль);
.
Ответ:
а) ; б) .
Задача 1-3. Вычислите массу кислорода, содержащуюся в 15,0 г серной кислоты.
Решение.
Молярная масса серной кислоты (г/моль).
Количество вещества
(моль).
Согласно химической формуле в 1 моль серной кислоты содержится 4 моль кислорода, поэтому
моль.
Зная количество кислорода, можно найти его массу:
г.
Ответ:
9,79 г кислорода.
Задача 1-4. Рассчитайте массу одной молекулы гемоглобина (молекулярная формула ): а) в граммах; б) в атомных единицах массы.
Решение.
а) Для расчета массы молекулы гемоглобина надо знать молярную массу гемоглобина:
г/моль.
Дальше можно использовать два способа.
Объединяя формулы 
,
можно выразить массу через число молекул:
.
Подставляя в эту формулу , г/моль, 
моль -1 ,
находим г.
б) Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на 1 а. е. м. Относительная молекулярная масса численно равна молярной массе, поэтому масса одной молекулы гемоглобина равна 64388 а. е. м.
Ответ:
а) 
; б) 64388 а. е. м.
Задача 1-5. Рассчитайте массовые доли водорода и кислорода в воде.
Решение.
В этой задаче водород и кислород - это элементы и , а не простые вещества и . Массовая доля определяется как отношение массы элемента к массе вещества:
Удобное свойство массовой доли состоит в том, что она не зависит от общей массы вещества: массовые доли элементов одинаковы и в капле, и в литре, и в бочке воды. Поэтому для расчета массовой доли можно взять любую массу вещества, например 1 моль.
Масса 1 моль воды: г. Согласно формуле воды в 1 моль воды содержится 2 моль атомов водорода и 1 моль атомов кислорода:
(г);
(г).
Массовые доли элементов:
%;
%.
Ответ:
11,1% H, 88,9% O.
Задача 1-6. Определите простейшую формулу химического соединения, если массовые доли составляющих его элементов равны: H - 2,04%, S - 32,65%, O - 65,31%.
Решение.
Простейшая формула отражает соотношение между числом атомов в молекуле, или, что то же, мольные соотношения атомов. Поскольку простейшая формула не зависит от массы вещества, возьмем образец вещества массой 100 г и найдем отношение количеств элементов (в молях) в этом образце. Для этого следует разделить массу каждого элемента на его- относительную атомную массу:
Наименьшее из чисел (1,02) принимаем за единицу и находим отношение:
Оно означает, что в молекуле химического соединения на 2 атома водорода приходится 1 атом серы и 4 атома кислорода, следовательно, простейшая формула искомого соединения - .
Ответ:
.
Задача 1-7. Определите молекулярную формулу органического вещества, если оно содержит 40% углерода, 6,7% водорода и 53,3% кислорода по массе, а его молярная масса равна 60 г/моль.
Решение.
Действуя так же, как и в предыдущей задаче, можно найти относительные количества элементов и определить простейшую формулу вещества:
Простейшая формула вещества - . Ей соответствует молярная масса 
(г/моль). Молярная масса вещества равна 60 г/моль, следовательно, истинная формула равна простейшей формуле, умноженной на 2, т. е. .
Ответ:
.
Задача 1-8. Какая масса хлорида натрия образуется при обработке 15 г карбоната натрия, содержащего 15% примесей, избытком соляной кислоты?
Решение.
Прежде всего найдем массу чистого карбоната натрия. Примесей в образце карбоната натрия содержится 15%, а чистого вещества - 85% :
(г).
Далее запишем уравнение химической реакции:
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O
.
Массу продуктов реакции можно рассчитать по количеству вещества, используя следующую схему:
m(исх. вещества) → v(исх. вещества) → v(продукта) → m(продукта)
.
Найдем количество карбоната натрия:
(моль).
По основному закону химической стехиометрии отношение количеств реагирующих веществ (в молях) равно отношению соответствующих коэффициентов в уравнении реакции. Коэффициент перед в 2 раза больше, чем коэффициент перед , поэтому количество хлорида натрия также в 2 раза больше: моль.
Масса хлорида натрия:
(г).
Ответ:
14 г .
