Obliczenia oparte na równaniach reakcji

Kategoria: Artykuły



Chemik333
2008-05-16, 23:35
Obliczenia oparte na równaniach reakcji

(Kurs dla początkujących )

1. Wstęp

Dość często na naszym forum pojawiają się tego typu zadania... Postaram się to w miarę jasno wyjaśnić :) Zanim zabierzesz się do rozwiązywania tego typu zadań, musisz wiedzieć co to są:

a) Liczba Avogadra (1 mol) - - oznacza, że w jednym molu danej substancji znajduje się atomów, cząsteczek, jonów.

b) Masa molowa - to masa jednego mola danej substancji, która jest równa liczbowo masie atomowej lub cząsteczkowej. Jej jednostką jest

c) Objętość molowa gazów - - oznacza, że jeden mol danego gazu zajmuje objętość 22,4 dm3 w warunkach normalnych.

e) Stężenie procentowe - to liczba gramów substancji, jaka znajduje się w 100 g roztworu

f) Stężenie molowe - to liczba moli substancji rozpuszczonej, jaka znajduje się w 1 dm3 roztworu. Jej jednostką jest

g) Warunki normalne:
T = 273,15 K = 0 st.C
p = 1013,25 hPa = 101 325 Pa = 1 atm.

h) Na koniec kilka przydatnych wzorów:





- dotyczy, gdy objętość gazu (Vg) jest mierzona w warunkach normalnych.





- dotyczy gazów odmierzanych w warunkach normalnych





Oznaczenia:

- liczba moli

- masa substancji

- masa molowa substancji

- liczba "uzyskanych" cząsteczek

- liczba Avogadra

- objętość danego gazu (odmierzonego w warunkach normalnych)

- objętość molowa gazu (w warunkach normalnych)

- stężenie procentowe

- masa roztworu

- masa wody (rozpuszczalnika)

- stężenie molowe

- objętość roztworu

- gęstość gazu (w warunkach normalnych)

- wydajność reakcji

- wydajność całkowita reakcji

- wydajności cząstkowe reakcji (danych procesów).

masa teoretyczna produktu - jest to masa produktu jaka powstałaby, gdyby substraty przereagowały całkowicie.

Wydajność całkowita, danego (wieloetapowego) procesu, jest równa iloczynowi wydajności cząstkowych (koloejnych procesów).


2. Obliczenia opatre na równaniach reakcji - substraty zmieszane w stosunku stechiometrycznym

2.a. Kiedy mamy podany stosunek, w jakim substraty reagują

W rozwiązywaniu tego typu zadań, pamiętaj, kieruj się schematem:
Krok 1: Zapisz wszystkie dane i zależności.
Krok 2: Napisz i uzgodnij równanie reakcji (dobierz współczynniki).
Krok 3: Nad zapisanym równaniem reakcji (nad właściwymi reagentami) zapisz dane z zadania - wiadome i niewiadome.
Krok 4: Pod zapisanym równaniem reakcji (pod właściwymi reagentami) zapisz zachodzące zależności, wynikające z prawa zachowania masy i/lub odpowiednich stosunków masowych.
Krok 5: Ułóż odpowiednią proporcję i rozwiąż ją.
Krok 6: Ułóż odpowiedź do zadania.

Zad.1. Oblicz masę siarki, potrzebnej do reakcji z 5 g rtęci, jeśli substancje te, reagują w stosunku masowym (Hg:S) równym 25:4.

Krok 1:





Krok 5:
Proporcja:





Krok 6: Odp.: W tej reakcji należy użyć 0,8 g siarki.
Skąd mi się wzięło 29 g pod siarczkiem rtęci? Otóż jest to suma tych substratów ;)

Zad.2. Miedź reaguje z tlenem w stosunku masowym 4:1. Oblicz, ile gramów miedzi trzeba użyć, aby otrzymać 160 g tlenku miedzi(II).





Proporcja:





Odp.: W tej reakcji należy użyć 128 g miedzi.
Uwaga - normalnie pod miedzią powinno być 2 * 4 g i pod tlenkiem miedzi powinno być 2 * 5 g ale te wartości się skracają. 5 g to suma substartów (prawo zachowania masy).


2.b. Kiedy nie mamy podanego stosunku, w jakim substraty reagują

W rozwiązywaniu tego typu zadań, pamiętaj, kieruj się schematem:
Krok 1: Napisz i uzgodnij równanie reakcji (dobierz współczynniki).
Krok 2: Nad zapisanym równaniem reakcji (nad właściwymi reagentami) zapisz dane z zadania, dotyczące danych reagentów - wiadome i niewiadome.
Krok 3: Pod zapisanym równaniem reakcji (pod właściwymi reagentami) zapisz masy molowe reagentów, o których mowa w zadaniu.
Krok 4: Ułóż odpowiednią proporcję i rozwiąż ją.
Krok 5: Ułóż odpowiedź do zadania.

Zad.3. Podaj, ile gramów kwasu siarkowego(VI) można otrzymać w reakcji 32 g tlenku siarki(VI) z wodą.



Pamiętaj o zasadzie: "jednostki pod jednostkami' (jednostki "w pionie" muszą być identyczne)!

Krok 4:
Proporcja:





Krok 5: Odp.: W tej reakcji można otrzymać 39,2 g kwasu siarkowego(VI).
Jak zauważyłeś/łaś zamiast, np.: 98 g/mol jest napisane 98 g. To dlatego, że powstaje tylko 1 mol kwasu siarkowego(VI). W tego typu zadaniach współczynniki stechiometryczne są traktowane jak liczba moli reagentów.

Zad.4. Oblicz masę etanolu, którą można teoretycznie otrzymać z 1 tony ziemniaków, zawierających do 24,3% skrobi. Przyjmij 100%-ową wydajność wszystkich procesów.

W tym zadaniu mamy reakcję, która przebiega dwuetapowo:
I etap: Skrobia → glukoza
II etap: Glukoza → etanol
Najpierw obliczmy, ile mamy "czystej" skrobi:



Taka ilość skrobi zhydrolizuje do glukozy, według równania:



Zakładamy, że hydrolizie ulega jedna "cząsteczka" skorobii, czyli: n = 1

I etap:



Proporcja:





Z tej ilości glukozy powstanie etanol (II etap):



Tutaj już mamy 2 mole etanolu, więc jego masę molową (wyrażoną w gramach) mnożymy przez 2, czyli: .

Proporcja:





Odp.: W ciągu tych reakcji można otrzymać maksymalnie 138 kg etanolu.
Podpowiedź: Nie musisz zamieniać kilogramów na gramy. Ale musisz pamiętać, że końcowy wynik wyjdzie właśnie w kilogramach!

Zad.5. Kwas siarkowy(VI), na skalę przemysłową, można otrzymać w wyniku spalenia pirytu (FeS2), podczas którego powstaje tlenek siarki(IV) i tlenek żelza(III). Tlenek siarki(IV) ulega katalitycznemu utlenieniu. Otrzymany gaz reaguje z wodą i powstaje kwas siarkowy(VI). Oblicz, ile pirytu zawierającego 60% czystej substancji, należy użyć aby otrzymać 500 kg 98%-owego roztworu kwasu siarkowego (VI).

Tego typu zadanie dość często pojawia się na różnych konkursach...
W tym wypadku mamy trzy etapy otrzymywania H2SO4:
I: 4 FeS2 + 11 O2 → 8 SO2 + 2 Fe2O3
II: 2 SO2 + O2 → 2 SO3
III: SO3 + H2O → H2SO4

Ponieważ mamy mieć 500 kg 98%-owego roztworu tego kwasu, należałoby obliczyć, ile mamy uzyskać czystego kwasu siarkowego(VI):







Teraz, korzystając z uzgodnionych wcześniej reakcji, obliczmy ile potrzebujemy 100%-owego pirytu... Musimy najpierw policzyć, ile tlenku siarki(VI) pozwoli nam otrzymać obliczoną wcześniej ilość kwasu. Ogólnie - liczymy "od tyłu"...

I:



Proporcja:





II:



Proporcja:





III:



Proporcja:





Ponieważ tyle FeS2 potrzebujemy do otrzymania zadanej ilości kwasu siarkowego(VI), ale w minerale (pirycie) jest go 60%, to ile potrzebujemy całego minerału?

75 kg - 60% (czysta substancja - FeS2)
x kg - 100% (cały minerał, o który pytają w zadaniu)

x = 125 kg

Odp: Do otrzymania 500 kg 98%-owego kwasu siarkowego(VI) potrzeba 125 kg pirytu, zawierającego 60% FeS2.

Zad.6. Wyznacz liczbę moli tlenku chloru(V), potrzebną do otrzymania 20,1 g kwasu chlorowego(V).



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji potrzeba około 0,1 mola tlenku chloru(V).

Zad.7. Oblicz, jaka objętość dwutlenku węgla jest potrzebna, w reakcji z tlenkiem wapnia, aby wytworzyć 50 g węglanu wapnia.



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji potrzeba 11,2 dm3 dwutlenku węgla.
Pamiętaj - jeden mol gazu odmierzonego w warunkach normalnych zajmuje objętość 22,4 dm3. Analogicznie - 2 mole gazu zajmą odpowiednio -

Zad.8. Oblicz, ile gramów węgla trzeba spalić, aby otrzymać tyle dwutlenku węgla, ile powstaje go podczas rozkładu 21 g węglanu magnezu.

W tym zadaniu najpierw należy obliczyć ile dwutlenku węgla powstaje podczas rozkładu węglanu magnezu...



Proporcja:





...aby się dowiedzieć ile węgla należy spalić, aby otrzymać taką samą ilość dwutlenku węgla jak w reakcji wyżej.



Proporcja:





Odp.: Należy spalić 3 g węgla.
Trochę to zadanie pokręcone, lecz jesli poświęcisz mu troszeczkę więcej czasu, to sam zrozumiesz o co tu chodzi :)

Zad.9. Podziałano HCl-em na 80g węglanu pewnego metalu, występującego na drugim stopniu utleniania. Po zakończeniu reakcji przebiegającej ze 100% wydajnością, otrzymano dwutlenek węgla, którego objętość w warunkach normalnych wynosiła 17,92 dm3. Posługując się wzorami ogólnymi soli, napisz równanie opisanej reakcji i na podstawie obliczeń podaj nazwę lub symbol metalu wchodzącego w skład węglanu.

Tym razem musimy się dowiedzieć co to za sól przereagowała, a dokładniej - metal wchodzący w skład tej soli... Jak to zrobic? Wystarczy obliczyć masę molową tego związku
(ponieważ metal ten jest na drugim stopniu utlenienia, zastosowałem ogólny wzór tej soli, oznaczając M jako metal):



Proporcja:



x = 100 g/mol

Skoro reszta kwasowa - CO32- ma masę 60 g/mol, w takim razie masa tego metalu wynosi:

100 - 60 = 40 g/mol - taką masę ma wapń.
Odp.: Szukanym związkiem jest węglan wapnia - CaCO3. Metal, wchodzący w skład tej soli, to wapń.

Zad.10. Na stop o masie 5 g, którego głównymi składnikami są cynk i miedź, podziałano stężonym roztworem kwasu solnego otrzymując, w warunkach normalnych, 1,12 dm3 pewnego gazu. Oblicz, jaki procent stanowi cynk a jaki miedź, w tym stopie.

Pierwsze co zauważamy - tylko cynk przereaguje z kwasem, a miedź zostanie w powstałym roztworze. Gaz, który się wydzielił to wodór, ponieważ zaszła typowa reakcja otrzymywania soli - metal + kwas → sól + wodór. Aby obliczyć zawartość procentową obu metali, musimy znać wartości ich mas. Na podstawie równania reakcji Zn z HCl-em, obliczymy jego masę:



Proporcja:



- to jest ilość cynku. A więc, jeżeli masa stopu to 5 g, to jego zawartość procentowa jest równa:



Zawartość procentową miedzi możemy obliczyć bardzo prosto ;) Czyli:



Odp.: Stop zawierał 65% cynku i 35% miedzi.


3. Obliczenia opatre na równaniach reakcji - substraty zmieszane w stosunku niestechiometrycznym

Tutaj przechodzimy na wyższy poziom... W poprzednich zadaniach, interesowała nas tylko ilość powstającego produktu, bądź ilość potrzebnego substratu i nie "przejmowaliśmy się" za bardzo czy drugiego reagentu pozostanie mniej, czy więcej. Teraz to się zmieni... Nie mamy pewności czy substraty przereagowały całkowicie. Dlatego należy najpierw ustalić, którego substratu użyto w nadmiarze. O ilości powstającego produktu zadecyduje ten substrat, który przereagował całkowicie.

Zad.11. Przeprowadzono reakcję zobojętniania, używając do tego celu 10 g wodorotlenku sodu i 14 g kwasu azotowego(V). Oblicz masę powstającej soli.

Ustalamy, którego substratu użyto w nadmiarze. Zakładamy, że przereaguje cała ilość wodorotlenku sodu.



Proporcja:





Wniosek: Aby przereagowała cała ilość wodorotlenku sodu, potrzeba 15,75 g kwasu azotowego(V), ale my dysponujemy tylko 14 g. Wodorotlenek sodu został użyty w nadmiarze. O ilości powstającej soli zadecyduje kwas.



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji powstanie 18,9 g soli. Reszta wodorotlenku sodu pozostanie nieużyta, gdyż było go zbyt dużo.

Zad.12. Oblicz ile dm3 amoniaku można uzyskać z mieszaniny 100 cm3 azotu i 400 cm3 wodoru?

Ustalamy, który substrat przereaguje całkowicie. Zakładamy, że przereaguje cała ilość wodoru.



Proporcja:





Wniosek: Aby przereagowała cała ilość wodoru, potrzeba 130 cm3 azotu, a my dysponujemy tylko 100 cm3. Wodór został użyty w nadmiarze. O ilości powstającego amoniaku zadecyduje azot.



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji powstanie 0,2 dm3 amoniaku.
"ustalamy, którego substratu użyto w nadmiarze" oraz "ustalamy, który substrat przereaguje całkowicie" - te dwa zdania znaczą dokładnie to samo.

Zad.13. Oblicz, ile moli wodorotlenku sodu powstało w reakcji cząsteczek wody z atomami sodu.

Obliczamy, ile moli sodu i ile moli wody ze sobą reaguje pamiętając, że atomów, cząsteczek, jonów (ogólnie - molekuł):





Ustalamy, którego substratu użyto w nadmiarze. Zakładamy, że przereagowała cała ilosć sodu.



Proporcja:





Wniosek: Aby przereagowała cała ilość sodu, potrzebujemy 2 moli wody, a my dysponujemy aż 3,5 molami wody. Woda została użyta w nadmiarze. O ilości powstającego wodorotlenku sodu, zadecyduje sód.



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji powstanie 5 moli wodorotlenku sodu.


4. Obliczenia opatre na równaniach reakcji - reakcje zachodzące w roztworach wodnych

W tego typu zadaniach należy obliczyć masy reagentów, biorących udział danej w reakcji między roztworami.

Zad.14. Do 300 g 20%-owego roztworu chlorku zelaża(III) dosypano wodorotlenek sodu, aż do całkowitego wytrącenia osadu. Oblicz masę powstałego osadu.

Obliczamy, ile gramów chlorku żelaza(III) znajduje się w jego roztworze (taka ilość przereaguje z wodorotlenkiem sodu):







Teraz możemy obliczyć, ile powstanie wodorotlenku żelaza(III):



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji powstanie około 39,5 g wodorotlenku żelaza(III).

Zad.15. Oblicz masę wytrąconego osadu w reakcji 300 g 2,5%-owego roztworu chlorku sodu z 200 cm3 0,5-molowego roztworu azotanu(V) ołowiu(II).

Obliczamy masy substratów, biorących udział w tej reakcji:
Dla chlorku sodu:







Dla azotanu(V) ołowiu(II):











Teraz można ustalić, którego substratu użyto w nadmiarze. Zakładamy, że przereagował cały azotan(V) ołowiu(II).



Proporcja:





Wniosek: Aby użyć całą ilość azotanu(V) ołowiu(II) potrzeba 11,7 g chlorku sodu, a my dysponujemy tylko 7,5 g. Azotan(V) ołowiu(II) został użyty w nadmiarze. O ilości powstającego chlorku ołowiu(II) zadecyduje chlorek sodu.



Proporcja:





Odp.: W tej reakcji powstanie około 17,8 g chlorku ołowiu(II).

Zad.16. Wrzucono 20 g wapnia do 500 g wody. Oblicz masę powstałego w ten sposób wodorotlenku wapnia oraz stężenie procentowe tego roztworu.

Wyobraźmy sobie tą sytuację: mamy w szczypcach 20 g wapnia i zlewkę zawierajacą 500 g wody. Gdy wrzucimy ten kawałek wapnia do wody, najpierw z nią przereaguje, a potem się w niej (częściowo) rozpuści. Po pierwsze: obliczmy, ile nam "ubyło" (przereagowało z wapniem) wody, po drugie: obliczamy masę powstałego wodorotlenku wapnia, po trzecie: wodór, wytwarzający się w reakcji, niewiele, ale zmniejsza masę roztworu. Po czwarte: obliczamy stężenie procentowe powstałego w ten sposób roztworu.

I:



Proporcja:





II:

"ubyło" nam 18 g wody. Teraz trzeba obliczyć, ile powstało w ten sposób wodorotlenku wapnia:



Proporcja:





III:



Proporcja:





IV:









Odp.: W wyniku tej reakcji powstało 37 g wodorotlenku wapnia, tworząc roztwór o stężeniu 7,14%.


5. Obliczenia opatre na równaniach reakcji - wydajność reakcji

Wydajność (procentowa) reakcji - jest to wyrażony w procentach stosunek masy otrzymanego (w rzeczywistości) produktu do masy teoretycznej tego produktu (czyli wtedy, gdyby substarty przereagowały całkowicie).

Zad.17. W reakcji 50 cm3 wodoru z chlorem uzyskano 80 cm3 chlorowodoru. Oblicz, jaka była wydajność tej reakcji.

Najpierw obliczmy, ile chlorowodoru powstałoby, gdyby substraty przereagowały całkowicie (masa teoretyczna produktu):



Proporcja:





Teoretycznie powstałoby 100 cm3 chlorowodoru, ale w praktyce powstało go tylko 80 cm3, więc wydajność reakcji wyniosła:



Odp.: Wydajność tej reakcji wyniosła 80%.

Zad.18. Zmieszano ze sobą 2 roztwory: Pierwszy zawierający 50 g siarczanu(VI) magnezu oraz drugi, który zawierał 25 g azotanu(V) srebra. Oblicz masę powstałego osadu, jeśli wydajność reakcji wyniosła 87%.

Ustalamy, którego substratu użyto w nadmiarze. Zakładamy, że przereaguje cała ilość azotanu(V) srebra.



Proporcja:





Wniosek: Aby zużyć całą ilość azotanu(V) srebra potrzeba 8,82 g siarczanu(VI) magnezu, a my dysponujemy 50 g. Siarczan(VI) magnezu został użyty w nadmiarze. O ilości powstającego osadu zadecyduje azotan(V) srebra.



Proporcja:



- jest to masa teoretyczna.

Ponieważ wydajność reakcji wyniosła 87%, należy obliczyć rzeczywistą masę produktu:



Odp.: W tej reakcji, która przebiegła z wydajnością 87%, powstało około 20 g siarczanu(VI) srebra.

Zad.19. Ile trzeba benzenu użyć do dwuetapowej syntezy prowadzącej przez toluen do kwasu benzoesowego w celu otrzymania 200 kg tego kwasu. Wydajność pierwszego etapu wynosi 70%, a drugiego 90%.

Nie jest powiedziane w zadaniu, jakie reakcje zaszły, więc możemy je sobie "przyjąć". I tak nie będzie to miało wpływu na efekt końcowy...

Sposób I:

Mamy dwa etapy:

I: C6H6 + CH3Cl → C6H5CH3 + HCl

II: 5 C6H5CH3 + 6 KMnO4 + 9 H2SO4 → 5 C6H5COOH + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 14 H2O
ewentualnie: 5 C6H5CH3 → 5 C6H5COOH (jeżeli nam reakcji nie podano...)

I w każdym tego typu zadaniach ZAWSZE zaczynamy od końca... (etap II). Należałoby też zauważyć, że wydajność reakcji odnosi się tylko do produktów. Co za tym idzie? Substaratów ZAWSZE jest "100%".



Proporcja:



- to jest 90% substratu - toluenu. Należałoby obliczyć ile toluenu rzeczywiście użyto:

90%------150,9 kg
100%-----x kg



Teraz się zatrzymamy... Kilka wyjaśnień: Spróbuj teraz obliczyć to "normalnie"... jak zauważyłeś przy wartości masy toluenu równej 167,67 kg wyjdzie ci, że kwasu benzoesowego mamy 222,3 kg... dziwne? Bynajmniej. A to dlatego, że ta wartość wyniosłaby tyle, gdyby wydajność reakcji wyniosła 100% (przecież wydajność odnosi się do produktów, prawda?) Teraz tą wartość pomóż przez 90% - wyszło 200 kg? ;)

Jedziemy dalej...



Proporcja:



- to jest 70% substratu - benzenu. Należałoby obliczyć ile benzenu rzeczywiście użyto:

70%------142,2 kg
100%-----x kg



Chyba nie muszę już wyjaśniać skąd to się wzięło... - jest to analogiczna sytuacja jak wyżej... ;)

Odp.: W tym ciągu reakcji, należy użyć około 203 kg benzenu.

Sposób II:

Wydajność całkowita, danego (wieloetapowego) procesu, jest równa iloczynowi wydajności cząstkowych (kolejnych procesów).

W naszym wypadku, będzie to: 70% * 90% = 63% - wydajność całego procesu.
Przypominając, po raz setny, że wydajność reakcji odnosi się tylko do produktów, możemy obliczyć, ile tego benzenu od nas chcą...



Proporcja:



- to jest 63% substratu - benzenu. Należałoby obliczyć ile benzenu rzeczywiście użyto:

63%------127,87 kg
100%-----x kg



Odp.: W tym ciągu reakcji, należy użyć około 203 kg benzenu.


Na zakończenie kilka rad: Nie musisz pisać słowa "proporcja", możesz znacznie skrócić wniosek (np.: NaOH - nadmiar). Ale pewne elementy, a w szczególności odpowiedź, musisz napisać. Staraj się nie popełniać błędów.
Dodam jeszcze, że zadania dotyczące promieniotwórczości można rozwiązać w analogiczny sposób jak pozostałe, ale należy pamiętać o jednym: liczba masowa (A) = masa atomu.
To by było na tyle... :)

Bibliografia:
Zbiór zadań dla gimnazjum - wyd. OPERON
Zbiór zadań dla liceum i technikum wyd. OPERON
oraz moja inwencja twórcza... :)


Podobne tematy: