Книга: Общая химия

16. Химические расчеты.

16. Химические расчеты.

Важнейшим практическим следствием атомно-молекулярного учения явилась возможность проведения химических расчетов. Эти расчеты основаны на том, что состав индивидуальных веществ можно выразить химическими формулами, а взаимодействие между веществами происходит согласно химическим уравнениям.

Расчеты по формулам. Химическая формула может дать много сведений о веществе. Прежде всего она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента имеется в его молекуле. Затем она позволяет рассчитать ряд величин, характеризующих данное вещество. Укажем важнейшие из этих расчетов.

Молекулярную массу вещества вычисляют по формуле как сумму атомных масс атомов, входящих в состав молекулы вещества.

Эквивалентную массу вещества вычисляют, исходя из его молярной массы. Эквивалентная масса кислоты равна ее молярной массе, деленной на основность кислоты. Эквивалентная масса основания равна его молярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание. Эквивалентная масса соли равна ее молярной массе, деленной на произведение валентности металла на число его атомов в молекуле.

- 44 -

Примеры

HNO₃. Молярная масса 63 г/моль. Эквивалентная масса 63 : 1 = 63 г/моль.

H₂SO₄. Молярная масса 98 г/моль. Эквивалентная масса 98 : 2 = 49 г/моль.

Ca(OH)₂. Молярная масса 74 г/моль. Эквивалентная масса 74 : 2 = 37 г/моль.

Al₂(SO₄₎₃. Молярная масса 342 г/моль. Эквивалентная масса 342 : (2·3) = 57 г/моль.

Подобно эквивалентной массе элемента, эквивалентная масса сложного вещества может иметь несколько значений, если вещество способно вступать в реакции различного типа. Так, кислая соль NaHSO₄  может взаимодействовать с гидроксидом натрия или с гидроксидом бария:

NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

NaHSO₄ + Ba(OH)₂ = BaSO₄? + NaOH + H₂O

Одно и то же количество соли реагирует в первом случае с одним молем основания, образованного одновалентным металлом (т.е. с одним эквивалентом основания), а во втором — с одним молем основания, образованного двух валентным металлом (т.е. с двумя эквивалентами основания). Поэтому в первом случае эквивалентная масса NaHSO₄ равна молярной массе соли (120 г/моль), а во втором — молярной массе, деленной на два (60 г/моль).

Процентный состав сложного вещества. Обычно состав вещества выражают в процентах по массе. Вычислим, например, содержание магния в карбонате магния MgCO₃. Для этого подсчитаем молекулярную массу этого соединения. Она равна 24,3 +12 + 3 · 16 = 84,3. приняв эту величину за 100%, найдем процентное содержание магния: x = 24,3 · 100 / 84,3 = 28,8% (масс.).

Масса 1 л газа при 0?C и нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа или 760 мм рт. ст.). Один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Следовательно, масса 1л газа при тех же условиях равна молярной массе этого газа, деленной на 22,4.

Объем, занимаемый данной массой газа. Если газ находится  при 0?C и нормальном атмосферном давлении, то расчет можно произвести, исходя из молярного объема газа (22,4 л/моль). Если же газ находится при иных давлении и температуре, то вычисление объема производят по уравнению Клапейрона-Менделеева

PV = mRT / M

(обозначения см. § 10). По этому же уравнению нетрудно производить обратный расчет — вычислять массу данного объема газа.

Расчеты по уравнениям. Согласно атомно-молекулярному учению химическая реакция состоит в том, что частицы исходных веществ превращаются в частицы продуктов реакции.

- 45 -

 Зная состав частиц исходных веществ и продуктов реакции, можно выразить любую реакцию химическим уравнением. Написав уравнение реакции, уравнивают числа атомов в левой и правой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя. Уравнивание достигается только правильным подбором коэффициентов, стоящих перед формулами исходных веществ и продуктов реакции.

Иногда вместо полного уравнения реакции дается только ее схема, указывающая, какие вещества вступают в реакцию и какие получаются в результате реакции. В таких случаях обычно заменяют знак равенства стрелкой: например, схема реакции горения сероводорода имеет следующий вид:

H₂S + O₂ ? H₂O + SO₂

Химические уравнения используют для выполнения различных расчетов, связанных с реакциями. Напомним, что каждая формула в уравнении химической реакции изображает один моль соответствующего вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ — участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию и образующимися в результате ее протекания. Например, уравнение

2NaOH + H₂SO₄  = Na₂SO₄ + 2H₂O

показывает, что два моля гидроксида натрия вступают во взаимодействие с одним молем серной кислоты и при этом образуется один моль сульфата натрия и два моля воды. Молярные массы участвующих в этой реакции веществ равны:  M_NaOH = 40 г/моль; M _H2SO4 = 98 г/моль; M _Na2SO4 = 142 г/моль; M _H2O = 18 г/моль. Поэтому уравнение рассматриваемой реакции можно прочесть так: 80 г гидроксида натрия взаимодействуют с 98 г серной кислоты с образованием 142 г сульфата натрия и 36 г воды*

Если в реакции принимают участие вещества, находящиеся в газообразном состоянии, то уравнение реакции указывает также и на соотношения между объемами этих газов.

Пример. Сколько литров кислорода, взятого при нормальных условиях, израсходуется для сжигания одного грамма этилового спирта C₂H₅OH?

Молекулярная масса этилового спирта равна 12·2 + 1·5 + 16 + 1 = 46. Следовательно, молярная масса этилового спирта равна 46 г/моль. Согласно уравнению реакции горения спирта

C₂H₅OH + 3O₂ = 2CO₂ + 3H₂O

при сжигании одного моля спирта расходуется три моля кислорода. Иначе говоря, при сжигании 46 г спирта расходуется 22,4·3 = 67,2 л кислорода. Следовательно, для сжигания одного грамма этилового спирта потребуется  67,2·1/46 = 1,46 л кислорода, взятого при нормальных условиях.

* Конечно, массы реагирующих веществ можно выразить не только в граммах, но и в других единицах, например, в килограммах, тоннах и т.п., но от этого количественные соотношения не изменятся.

- 46 -