§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 C6H12O6 и 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.
_________________