§5.7

§5.7. Вычисления по химическим формулам и химическим уравнениям.

В сочетании с уравнением химической реакции МОЛЬ вещества является очень удобным инструментом для химических расчетов.

Например, требуется получить 100 г серной кислоты H₂SO₄ из триоксида серы SO₃ по реакции:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

Спрашивается, сколько литров газообразного SO₃ потребуется взять для этого при н.у.? И сколько воды потребуется для реакции?

Подход к решению этой задачи становится ясным, как только мы запишем уравнение реакции вместе со всеми известными нам данными:

Уравнение:	SO₃	+	H₂O	=	H₂SO₄
Молек. вес (а.е.м.):	80		18		98
Молярная масса:	80 г/моль		18 г/моль		98 г/моль
Соотношение молей:	1 моль		1 моль		1 моль
Что известно и неизвестно:	? л газа (? моль)		? г воды (? моль)		100 г (1,02 моль)

Как только мы вычислим, что 100 г серной кислоты - это 1,02 моль серной кислоты (100 г / 98 г/моль = 1,02 моль H₂SO₄), сразу становится ясно, что SO₃ для реакции требуется тоже 1,02 моль или (1,02 моль · 22,4 л/моль) = 22,85 л.

Воды тоже потребуется 1,02 моль или (1,02 моль · 18 г/моль) = 18,4 г. Если ошибиться с количеством воды (добавить ее больше), то получится не концентрированная, а разбавленная серная кислота.

Усложним задачу. Допустим, в лаборатории нет SO₃, но есть сера. Сколько серы и сколько кислорода потребуется для получения тех же 100 г серной кислоты? Уравнение получения SO₃ выглядит несколько сложнее:

2 S + 3 O₂ = 2 SO₃.

Удобнее разделить левую и правую часть этого уравнения на 2, чтобы в правой части был только 1 моль SO₃ (как в уравнении получения серной кислоты). После этого опять запишем все известные нам данные:

Уравнение:	S	+	3/2 O₂	=	SO₃
Молек. вес (а.е.м.):	32		32		80
Молярная масса:	32 г/моль		32 г/моль		80 г/моль
Соотношение молей:	1 моль		3/2 моль		1 моль
Что известно и неизвестно:	? г (? моль)		? л газа (? моль)		22,85 л (1,02 моль)

По уравнению реакции видно, что серы потребуется тоже 1,02 моля или (1,02 моль · 32 г/моль) = 32,6 г. Кислорода же потребуется 3/2 · 1,02 моля. Умножим 1,02 на 3/2 и получим 1,53 моля кислорода, что при н.у. составляет (1,53 моль · 22,4 л/моль) = 34,27 л газообразного O₂.

Таким образом, с помощью моля химики могут не только взвешивать на весах нужное им количество молекул, но и рассчитывать необходимые массы реагентов и продуктов в химических реакциях, когда к делу привлекаются еще и уравнения этих реакций.

Особенно удобны моли в тех случаях, когда один из реагентов взят в избытке. Например, по уравнению реакции, в котором уже посчитаны загрузки реагентов в молях

NaOH	+	HCl	=	NaCl	+	H₂O
0,1 моль		0,3 моль		0,1 моль		0,1 моль

можно легко догадаться, что продуктов реакции получится только по 0,1 моль, а 0,2 моль HCl останутся неизрасходованными.

** Сделайте немного более сложный, но и более интересный расчет. Результат его окажется для вас неожиданным. Знаете ли вы, что обычный автомобиль потребляет кислорода в несколько раз больше, чем бензина? Причем не по объему (это бы нас не удивило), а по весу!

Давайте проверим. Молекулярная формула наиболее качественного бензина – С₈Н₁₈. Обычный бензин представляет собой смесь нескольких соединений, но мы специально возьмем самый хороший (образцовый) бензин, состоящий только из С₈Н₁₈. В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом воздуха О₂. При этом выделяются углекислый газ, вода и большое количество тепловой энергии, которую двигатель преобразует в механическую.

Уравнение сгорания бензина выглядит так:

2 С₈Н₁₈ + 25 О₂ = 16 СО₂ + 18 Н₂О

Обратите внимание: для сгорания 2 молекул бензина требуется 25 молекул кислорода! Конечно, молекула бензина тяжелее, но зато более легких молекул кислорода требуется очень много!

Бак легкового автомобиля обычно вмещает 40 л бензина Плотность бензина 0,7 кг/л. Следовательно, в полном баке находится 28 кг бензина. Попробуйте самостоятельно посчитать, сколько КИЛОГРАММОВ кислорода “съедает” автомобиль от заправки до заправки.

Результат будет таким: 98244 г или более 98 кг кислорода!

Кислород занимает в атмосфере примерно пятую часть, поэтому уничтожение такого его количества делает совершенно непригодным для дыхания примерно 350 кубических метров воздуха. Но этого мало: автомобиль выбросил в атмосферу значительное количество также непригодного для дыхания диоксида углерода СО₂.

Итак, ответ получился неожиданным, как мы и обещали: 98 кг “съеденного” автомобилем кислорода - это по весу в 3,5 раза больше израсходованного бензина (28 кг)! Надо учесть, что мощные грузовики и тяжелые автобусы расходуют кислорода гораздо больше уже потому, что тратят больше бензина на каждый километр пути.

Ежедневно на дороги выезжают миллионы автомобилей только в нашей стране. А сколько поднимается в небо самолетов, сколько огромных судовых двигателей на морях и реках не останавливается ни днем, ни ночью?

Запасы свободного кислорода на нашей планете возобновляются только зелеными растениями – водорослями, деревьями, кустарниками, травами. Невольно проникаешься уважением к этим живым лабораториям, которые ежедневно трудятся для того, чтобы не дать людям и животным задохнуться от недостатка кислорода.

Люди не собираются отказываться от удобств, связанных с бензиновыми двигателями, но в качестве платы за этот комфорт необходимо по крайней мере беречь растения, делиться с ними местом в той среде обитания, которую мы вместе занимаем.

Задачи.

5.30. Пес Булька стащил у доктора Пилюлькина и съел упаковку глюкозы массой 1 г. Обеспокоенный охотник Пулька пришел к Юху проконсультироваться – не произойдет ли в Булькином организме каких-нибудь нежелательных реакций? Юх достал книжку и прочитал, что глюкоза не ядовита, имеет формулу C₆H₁₂O₆и представляет собой сладкий белый порошок, являющийся питательным веществом. В организме глюкоза окисляется по уравнению:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия.

После этого Юх долго считал и сообщил Пульке, сколько литров CO₂ при нормальных условиях и сколько граммов воды образуется из глюкозы в Булькином организме. Успокоенный Пулька горячо благодарил Юха. Какие цифры получил Юх?

5.31. Сколько нужно взять граммов металлического натрия и литров хлора (при н.у.), чтобы получить 100 г соли NaCl взаимодействием между этими двумя простыми веществами?

** 5.32. (НГУ) Содержание веществ в растворах часто указывают в молях растворенного вещества на литр раствора. Сколько молей HCl (в пересчете на 1 литр раствора) содержится в 560 мл воды, которая поглотила (без изменения объема) весь HСl, образовавшийся в химической реакции 2 г водорода с 2 г хлора?

** 5.33. Рассчитайте объем CO₂ (н.у.), выброшенного в атмосферу при сгорании в автомобильном двигателе 28 кг (40 л) бензина C₈H₁₈.

В следующий параграф.

_________________