Расчет по уравнению реакции

Сколько воды получится из 10 г водорода и 10 г кислорода и что останется лишним? Задавай массы реагентов и смотри, какое вещество кончится первым.

01 Что это такое

Реакция идет, пока не кончится одно из веществ. Его и называют веществом в недостатке, по нему считают продукт.

Уравнение реакции работает как рецепт. 2H₂ + O₂ → 2H₂O значит: на две молекулы водорода нужна одна молекула кислорода. Если взять 6 молекул водорода и только 2 молекулы кислорода, соберется всего 4 молекулы воды. Кислород кончится, а 2 молекулы водорода останутся без пары.

В жизни реагенты почти никогда не берут точно по уравнению. Поэтому сначала массы переводят в моли, потом смотрят, какое вещество кончится первым. Сколько получится продукта, решает только оно. Второе вещество в избытке: его остаток просто лежит лишним, или уходит с дымом, или копится в аппарате.

Белые кружки: атомы водорода. Оранжевые: кислорода. Пунктир: недостаток и избыток.

n: Количество вещества, моль. Реакция считает частицы, а не граммы, поэтому массу сначала переводят в моли: n = m / M.
a: Коэффициенты уравнения a, b. В каком соотношении вещества реагируют. В CH₄ + 2O₂ на моль метана нужно 2 моль кислорода.
ξ: Сколько раз сработало уравнение, моль. Читается «кси». Равно меньшему из n / a по всем реагентам: на столько «порций рецепта» хватит запаса.

02 Опыт

Задай массы реагентов. Опыт найдет, что кончится первым. СБОРКА МОЛЕКУЛ

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ХИМИЯ

Реактор: запас и продукты

Рис. 2.3

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Вещество в недостатке

Масса главного продукта

Остаток избытка

ⓘ В реакциях с килограммами молярная масса берется в кг/кмоль, и количество вещества получается в киломолях: 1 кмоль = 1000 моль. Реакция в опыте идет до конца, без побочных продуктов.

03 Формулы по буквам

Три шага: в моли, сравнить, посчитать продукт

Любая задача на избыток и недостаток решается этими тремя шагами. Числа под формулами берутся из опыта. Подсвечен шаг, который решает ответ: когда вещества взяты не по уравнению, главное сравнение.

Шаг 1. Сколько молей взяли?

n = m / M

Массу каждого реагента делят на его молярную массу. Только в молях можно сравнивать вещества между собой.

n: количество вещества, моль или кмоль
m: масса реагента, г или кг
M: молярная масса, г/моль или кг/кмоль

Шаг 2. Что кончится первым?

ξ = min(n_A/a, n_B/b)

Количество каждого реагента делят на его коэффициент. У кого число меньше, тот в недостатке. Это число ξ показывает, сколько раз сработает уравнение.

n_A, n_B: количества реагентов из шага 1
a, b: их коэффициенты в уравнении
min: берем меньшее из двух чисел

Шаг 3. Сколько получится и что останется?

m_прод = k · ξ · M

Продукта получается k порций на каждый раз, когда сработало уравнение. Избыток уменьшается на свою долю, остаток лишний.

k: коэффициент продукта в уравнении
ξ: сколько раз сработало уравнение, из шага 2
остаток: (n − b · ξ) · M для вещества в избытке

Почему нельзя сравнивать граммы

Самая частая ошибка: решить, что вещество в недостатке то, которого меньше по массе. 10 г водорода и 10 г кислорода выглядят как поровну. Но молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода, поэтому в 10 г кислорода молекул в 16 раз меньше: 0,31 моль против 4,96 моль.

По уравнению 2H₂ + O₂ на 0,31 моль кислорода нужно всего 0,62 моль водорода. Остальные 4,3 моль водорода, почти 9 г, останутся. Воды получится 0,62 моль, то есть 11,3 г, а не 20 г.

Масса при этом сохраняется всегда: 10 + 10 = 11,3 г воды + 8,7 г водорода. Поэтому на столбиках «до» и «после» общая длина одна и та же.

С воздухом то же самое, только к кислороду прицеплен груз: на каждый килограмм кислорода в воздухе приходится 3,3 кг азота. Отсюда большие числа в двигателях и горелках: на 1 кг пропана нужно почти 16 кг воздуха.

Равные массы не значат равное число молекул.

04 Где и зачем это применяют

От дизеля в карьере до доменной печи

Двигатель и коэффициент избытка воздуха
Дизелю на 1 кг топлива нужно около 14,5 кг воздуха по уравнению, а дают в 1,3 или даже 2 раза больше. Если воздуха меньше, топливо в избытке: черный дым, сажа, перегрев, падение мощности. Причина часто в забитом воздушном фильтре.
Котельная и газовые горелки
Горелку настраивают так, чтобы кислорода было немного больше, чем требует уравнение. Недостаток воздуха дает угарный газ CO, избыток уносит тепло в трубу. Газоанализатор в дымоходе показывает остаток кислорода.
Взрывчатка на горных работах
Аммиачную селитру смешивают с дизелем в пропорции 94 к 6, чтобы кислорода хватило ровно на все горючее. Мало топлива: выделяются ядовитые оксиды азота, рыжий дым. Много: угарный газ и меньше энергии.
Металлургия
В доменной печи и при плавке концентрата считают, сколько кокса и флюса нужно на тонну руды. Восстановитель дают с избытком, чтобы руда восстановилась полностью, а остаток газа дожигают и греют им воздух.
Нейтрализация стоков
Кислые воды из шахты нейтрализуют известью. По уравнению считают, сколько тонн извести нужно на кубометр воды. Небольшой избыток извести берут, чтобы кислота точно не осталась.
Химическое производство
Дорогое вещество делают недостающим, а дешевое дают в избытке, чтобы дорогое израсходовалось полностью. При синтезе аммиака непрореагировавший азот и водород возвращают в реактор по кругу.

Допущения модели+

Реакция в опыте идет до конца, пока не кончится вещество в недостатке. На деле многие реакции останавливаются раньше: синтез аммиака обратим, и за один проход в аммиак превращается лишь часть газа. Побочных продуктов нет: при недостатке кислорода метан и пропан в опыте просто остаются, хотя в настоящем пламени получаются угарный газ и сажа. Воздух считается смесью 23,14% кислорода и 76,86% азота по массе, аргон и углекислый газ отнесены к азоту. Объем воздуха считается при 0 °C и 101,3 кПа. Значки молекул на рисунке условные: каждый означает порцию в целое число молей, подписанную у стрелки.

Еще в направлении «Химия»

Все темы направления «Химия» →