Стехиометрия - Новосибирский государственный университет
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР Стехиометрия Новосибирск 2012 1. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ. СОХРАНЕНИЕ ЧИСЛА АТОМОВ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ. Как устроены окружающие нас вещества – вопрос старый, и вместе с тем, вечно новый. Еще в античные времена была выдвинута гипотеза, что все вещества независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся, состоят из отдельных неделимых частиц (корпускул). С тех пор в изучении строения вещества наука шагнула далеко вперед, и мы знаем, что эти частицы, называемые молекулами, на самом деле делимы. Молекулы образованы из более простых частиц – атомов. Индивидуальное химическое вещество есть совокупность молекул, построенных из одинаковых атомов и одним и тем же образом. Первые два вопроса, которые задает себе химик при работе с веществом: 1) какие атомы входят в состав молекулы вещества (качественный состав) 2) сколько атомов каждого сорта содержит эта молекула (количественный состав) Качественный и количественный состав принято выражать химической формулой. Например, запись H2SO4, N2, KClO3 означает, что молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы, четырех атомов кислорода; молекула азота образована из двух атомов азота и т.д. Атомы также являются сложными частицами: они состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Однако, с точки зрения химических превращений атом можно считать неделимым. Почему? Рассмотрим, например, реакцию: 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 В данной химической реакции (как и в большинстве других) происходит перераспределение атомов в молекулах. Одни химические вещества превращаются в другие, иначе говоря, молекулы с одним составом превращаются в молекулы с другим составом. С другой 2 стороны, все атомы, участвующие в превращениях не меняются. Атом марганца остается атомом марганца вне зависимости от того, участвует ли он в образовании перманганата калия (KMnO4), манганата калия (K2MnO4) или двуокиси марганца (MnO2). Атомы являются “кирпичиками” (структурными единицами) из которых построены все химические вещества. Это определяет их неделимость с точки зрения химических превращений. Давайте сделаем одно важное заключение. Так как каждый отдельно взятый атом не претерпевает изменений в ходе химической реакции, то ЧИСЛО АТОМОВ КАЖДОГО СОРТА В ХОДЕ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ДОЛЖНО СОХРАНЯТЬСЯ Записанное выше утверждение является одним из самых основных законов, используемых в химии – законом сохранения вещества. Из этого закона следует: сколько атомов данного сорта записано в левой части уравнения химической реакции (в составе исходных веществ), столько же атомов этого типа должно быть в правой части (в составе продуктов). Чтобы удовлетворить данному закону сохранения, применяют знакомую Вам процедуру подбора стехиометрических коэффициентов. Примечание: Существует некоторая неточность, связанная с предположением о неизменности атомов в ходе химических реакций. Как было отмечено выше, атом образуется из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Пусть, например, два атома натрия и один атом серы реагируют с образованием сульфида натрия: 2Na + S = Na2S Атом серы в сульфиде натрия оттягивает на себя электроны и приобретает определенный отрицательный заряд -, а атомы натрия приобретают, соответственно, положительный заряд (по 1/2+, поскольку в целом молекула сульфида натрия не заряжена). 3 Таким образом, атом серы, входящий в состав сульфида натрия, отличается от нейтрального атома серы, а атомы натрия с положительным зарядом – от нейтральных атомов натрия. Получается, что атомы в ходе химической реакции все же несколько изменяются. Неизменными остаются ядра атомов. Ядро атома серы и в нейтральном атоме и в сульфиде натрия (и в любом другом соединении) обладает зарядом +16. Как Вам уже должно быть известно, химические свойства элемента определяются его порядковым номером в таблице Менделеева, а порядковый номер есть ни что иное, как заряд ядра атома. Благодаря тому, что ядро атома не претерпевает изменений в ходе химической реакции, полагают, что атом, как частица химического элемента, тоже не меняется. Закон сохранения вещества остается законом. Теперь перейдем к практическому применению этого закона. Пример: требуется определить стехиометрические коэффициенты в реакции: n1HCl + n2KClO3 = n3Cl2 + n4KCl + n5H2O По закону сохранения число атомов водорода в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым. На основании этого записываем уравнение: n1 = 2n5 (условие сохранения атомов Н) Аналогичные уравнения записываем для условий сохранения числа атомов других элементов: n1 + n2 = 2n3 + n4 (условие сохранения атомов Cl) n2 = n4 (условие сохранения атомов К) 3n2 = n5 (условие сохранения атомов О) Мы имеем систему из четырех уравнений с пятью неизвестными: n1 = 2n5 n1 + n2 = 2n3 + n4 n2 = n4 3n2 = n5 4 Чтобы найти решение системы уравнений, выразим через n1 все остальные неизвестные. n5 = n1/2 n2 = n1/6 n4 = n1/6 n3 = n1/2 Положим n1 = 1. Тогда, n1 = 1, n2 = n5 = 1/6, n3 = n5 = 1/2. и уравнение химической реакции имеет вид HCl + 1/6 KClO3 = 1/2 Cl2 + 1/6 KCl + 1/2 H2O. Легко проверить, что уравнивание произведено правильно. Однако, зачастую неудобно оперировать дробными стехиометрическими коэффициентами. Допустим, что n1 = 6. Тогда 6 HCl + KClO3 = 3 Cl2 + KCl + 3 H2O 4. Органическое вещество образовано только из атомов углерода и водорода, причем число атомов углерода в молекуле равно числу атомов водорода. При полном сгорании вещества в кислороде его молекула дает три молекулы смеси СО2 и Н2О. Напишите формулу этого вещества. 5. Выведите формулу кристаллогидрата фосфата цинка Zn3(PO4)2xH2O, если известно, что массовая доля воды в нем равна 15.8%. 6. Докажите, что закон сохранения числа атомов в ходе реакции согласуется с законом сохранения массы вещества в ходе реакции, установленным М.В. Ломоносовым. Как Вы думаете, можно ли утверждать, что в ходе реакции сохраняется общее количество вещества, выраженное числом молекул или числом молей? Обоснуйте свой ответ примерами химических реакций. 2. КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА 1. Некоторый газ горит в хлоре, образуя азот (N2) и хлороводород (HCl), причем на одну образующуюся молекулу азота в реакцию вступает три молекулы хлора. Определите неизвестный газ. 2. Для приведенных ниже реакций выписать условия сохранения для каждого атома. Найти из этих условий стехиометрические коэффициенты: а) K2Cr2O7 + HCl = KCl + CrCl3 + Cl2 + H2O б) Cu + HNO3(КОНЦ) = Cu(NO3)2 + NO2 + H2O в) HBr + H2SO4(КОНЦ) = Br2 + SO2 + H2O 3. Найдите молекулярную формулу соединения, содержащего 43.4% Na, 11.3% С, 45.3% О по массе. Выше мы познакомились с одной количественной характеристикой вещества – стехиометрическим составом. В настоящем разделе мы рассмотрим другую величину, играющую большую роль в химии, которая называется количеством вещества. Очень часто под количеством вещества понимают массу или вес. Количество вещества, определенное таким образом, легко измерить с помощью взвешивания. Здесь мы познакомимся с другим способом определения количества вещества, которым часто пользуются химики. Суть его в следующем. Любое вещество состоит из молекул. Все молекулы одного и того же вещества одинаковы. Строение отдельной молекулы уже в основном определяет химические свойства вещества в целом. Таким образом, количество вещества можно определить числом молекул. Этот способ чрезвычайно удобен при описании химических реакций. Например, реакция CaCO3 = CaO + CO2 (при нагревании) означает, что одна молекула СаСО3 при нагревании разлагается на одну молекулу СаО и одну молекулу СО2. 5 6 Легко убедиться, что и здесь уравнивание произведено верно. Задачи. Однако, здесь возникает проблема, как измерять количество вещества в молекулах. В лаборатории трудно вести подсчет индивидуальных молекул, и здесь на помощь химикам приходит все та же операция взвешивания. Действительно, каждая молекула имеет свою строго определенную массу, характерную для молекул данного типа. Если масса молекулы известна, легко перейти от массы к числу молекул (обратите внимание, что два определения количества вещества – через массу и через число молекул – тесно связаны друг с другом). Количество вещества, выраженное числом молекул – огромное число, которое находится в пределах от 1020 до 1025 частиц. Оперировать такими числами неудобно, поэтому химиками используется другая единица измерения, которая называется моль. МОЛЬ ЛЮБОГО ВЕЩЕСТВА ИМЕЕТ ТАКУЮ ЖЕ МАССУ В ГРАММАХ, КОТОРАЯ РАВНА МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЕ ВЕЩЕСТВА, ВЫРАЖЕННОЙ В АТОМНЫХ ЕДИНИЦАХ МАССЫ. 1 атомная единица = 1/12 массы атома изотопа 12С. Вследствие того, что масса молекулы пропорциональна молекулярной массе этого вещества в граммах, моль любого вещества содержит всегда одно и тоже количество частиц. Число частиц в моле равно 6.021023 и называется числом Авогадро, в честь выдающегося итальянского химика Амедео Авогадро, внесшего существенный вклад в развитие атомно-молекулярной теории. Выражение количества вещества в молях очень удобно при расчетах по уравнениям реакций. Задача. Сколько граммов сульфида серебра можно получить по реакции 2Ag + S = Ag2S из смеси 10 г серебра и 1 г серы. Решение. Молекулярные массы серебра и серы равны соответственно 108 и 32 а.е.м. Молярные массы – 108 г/моль и 32 г/моль соответственно. В смеси содержится 10/108 = 0.093 моль серебра и 1/32 =0.031 моль серы. По уравнению реакции 2 моля Ag 7 реагируют с 1 моль S c образованием 1 моль Ag2S. Следовательно, 0.031 моль S прореагирует только с 0.062 моль Ag, при этом образуется 0.031 моль Ag2S. Молярная масса Ag2S равна 248 г/моль, т.е. получится 2480.031 = 7.75 г Ag2S. Избыток серебра составит 0.093 – 0.062 = 0.031 моль, или 3.35 г. Задачи. 7. При сжигании 1.7 г неизвестного вещества в кислороде образовалось 3.2 г SO2 и 0.9 г воды. Установите формулу вещества. 8. Какую массу имеют 1025 атомов олова, 21022 молекул PCl3? 9. Одинаковое ли: а) число молекул в 0.5 г азота N2 и 0.5 г метана СН4 б) число молекул в 0.5 моль метана СН4 и 0.5 моль этилена С2Н4 в) число атомов углерода в 0.5 моль метана и 0.5 моль этилена 10. Нагревают 29.2 г смеси СаСО3 и MgCO3. После полного разложения карбонатов до оксидов и углекислого газа получено 0.3 моля СО2. Определите, сколько молей CaCO3 и MgCO3 содержится в смеси. 3. ЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА И СМЕСИ. Нитрат серебра, вода, хлористый водород, мел (карбонат кальция), сахар представляют собой чистые вещества. Каждое из них характеризуется определенными свойствами: температурой плавления, плотностью, способностью вступать в определенные химические реакции. А что будет происходить при их смешивании? Рассмотрим, к примеру две смеси: сахар – вода и мел - вода. Первая смесь представляет прозрачную жидкость, внешне напоминающую воду. Выберем из этой жидкости малый объем. Сравнение свойств показывает, что жидкость в этом объеме ничем не отличается от жидкости в таком же объеме, взятом в любом другом месте: она имеет такую же плотность, прозрачна, бесцветна, не проводит электрический ток, сладкая на вкус. Данная смесь является 8 однородной (или гомогенной). Другая смесь (мел – вода) не является однородной: она представляет собой крупинки мела, плавающие в воде. В смеси можно выделить малый объем, содержащий только твердое вещество или только жидкость, отличающиеся по свойствам. Если смесь оставить на некоторое время в покое, то произойдет разделение компонентов: мел выпадает в осадок, сверху будет слой чистой воды. Такие смеси называют гетерогенными. Гомогенные смеси играют важную роль в природе, они получили особое название - растворы. Раствор – это гомогенная смесь двух или нескольких веществ Вещества, входящие в состав смеси (раствора, в частности) называются компонентами. Если количество одного компонента раствора существенно преобладает над остальными, то этот компонент называют растворителем, а остальные компоненты – растворенными веществами. Чаще других в качестве растворителя встречается вода. Помимо жидких растворов существуют также твердые растворы, примерами которых являются многие сплавы металлов. Газы, если они не взаимодействуют друг с другом при смешивании, также образуют раствор. Примеры газовых растворов: воздух, гремучая смесь. Растворы так же как и чистые вещества, обладают характерными свойствами: плотностью, температурой кипения, цветом, тепло- и электропроводностью. Однако в отличие от чистых веществ, свойства растворов зависят от их состава. Чистое вещество имеет определенный стехиометрический состав. Так 1 моль молекул нитрата серебра образован из 1 моля атомов серебра, 1 моля атомов азота 3 молей атомов кислорода: химическая формула AgNO3. 1 моль молекул воды образован из 2 молей атомов водорода и одного моля атомов кислорода: химическая формула – H2O. Теперь давайте приготовим раствор, смешав 1 моль нитрата серебра и 50 молей воды. Получим раствор, в котором на 1 моль атомов серебра приходится 1 моль атомов азота, 53 моля атомов кислорода и 100 молей атомов 9 водорода. Давайте разбавим раствор в два раза, т.е. теперь он будет содержать 1 мольAgNO3 в 100 молях воды. Каков теперь состав раствора? Он изменился: на 1 моль атомов Ag теперь приходится 103 моля атомов кислорода и 200 моль атомов H. Вывод: раствор обладает переменным составом, в отличие от чистого вещества, характеризующегося постоянным составом. Существует несколько способов выражения концентрации растворов. 1. Массовая доля (или процентная концентрация) выражает массу растворенного вещества в процентах от массы раствора и численно равна количеству граммов растворенного вещества в 100 г раствора: масса растворенного вещества Массовая доля = * 100 % масса раствора 2. Молярная концентрация определяется количеством растворенного вещества в 1 л раствора (моль/л). Обозначается буквой М. Например, одномолярный раствор хлорида натрия обозначается буквой 1 М. Задача. Смешали 5 г Na2CO3 и 95 г Н2О. Плотность полученного раствора 1.05 г/мл. Определите концентрацию раствора. Решение. Масса раствора составляет 5 + 95 = 100 г, поэтому массовая доля Na2CO3 составляет (5/100)100% = 5 %. 100 г раствора имеют объем 100/1.05 = 95 мл, или 0.095 л. 5 г Na2CO3 составляют 5/106 = 0.047 молей. Молярная концентрация будет равной 0.047/0.095 = 0.5 М. Задачи. 11. Какие из перечисленных ниже пар веществ образуют при смешивании гомогенные растворы: а) серная кислота, вода б) СО, Н2 10 в) подсолнечное масло, вода г) сульфат бария, вода 12. Выведите общую формулу для расчета молярной концентрации некоторого вещества в растворе, если известна его массовая доля, молярная масса и плотность раствора. 13. Для полной нейтрализации серной кислоты, содержащейся в 100 мл 0.1 М раствора, потребовалось 80 г раствора гидроксида калия. Какова процентная концентрация (массовая доля) раствора щелочи. 14. Кусок цинка массой 15 г поместили в 100 мл 2 М раствора соляной кислоты. Определите молярную концентрацию соли в растворе после окончания реакции. Изменением объема раствора в ходе реакции пренебречь. 15. Смешали 250 г 10%-ного и 750 г 15%-ного растворов глюкозы. Вычислите молярную концентрацию глюкозы в полученном растворе, если его плотность равна 1.05 г/см3. © Специализированный учебно-научный центр НГУ, 2012 11