Недостаток и избыток реагента

8 заданий

Реагент в недостатке

Реагенты редко берут точно в отношении, заданном коэффициентами уравнения реакции. Поэтому один реагент может израсходоваться полностью, а часть другого останется после реакции. Первый называют реагентом в недостатке, второй — реагентом в избытке. Количество продуктов рассчитывают по реагенту в недостатке.

Чтобы определить, какой реагент находится в недостатке, количество каждого вещества делят на его коэффициент в уравнении реакции и сравнивают полученные значения. Меньшее значение соответствует реагенту в недостатке. Например, для реакции \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\) взяли 1,0 моль Al и 1,2 моль \(\ce{Cl2}\). Для алюминия отношение составляет \(1{,}0/2 = 0{,}50\), а для хлора оно составляет \(1{,}2/3 = 0{,}40\). Следовательно, хлор находится в недостатке. По его количеству рассчитывают, что образуется \(0{,}80\) моль \(\ce{AlCl3}\), а остаток алюминия составляет \(0{,}20\) моль.

errorСравнение количеств с учётом коэффициентов

Сравнение масс или количеств веществ без учёта коэффициентов может привести к неверному выводу. Например, в реакции \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) при 3 моль водорода и 2 моль кислорода отношение для водорода меньше: \(3/2 = 1{,}5 < 2/1\). Поэтому в недостатке находится водород, хотя его количество больше.

При расчёте конечной смеси важно учитывать и то, как избыток реагента влияет на ход реакции. Иногда от соотношения веществ зависит состав продуктов, а иногда реакция прекращается до полного расходования одного из реагентов.

scienceРеакции, в которых важен избыток реагента

\(\ce{Zn + S ->[t] ZnS}\) — при нагревании реакция цинка с серой сопровождается вспышкой; если смесь горит на воздухе, избыток серы сгорает до \(\ce{SO2}\).
\(\ce{2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O}\); \(\ce{NaOH + CO2 -> NaHCO3}\) — при избытке углекислого газа вместо карбоната натрия образуется гидрокарбонат натрия.
\(\ce{AlCl3 + 3NaOH -> Al(OH)3 v + 3NaCl}\); \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\) — при добавлении щёлочи к хлориду алюминия сначала образуется осадок гидроксида алюминия, который затем растворяется в избытке щёлочи.
\(\ce{Cu + 2H2SO4 ->[t] CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\) — при нагревании медь реагирует с концентрированной серной кислотой; по мере разбавления кислоты реакция прекращается, поэтому часть кислоты может остаться.

Выход и чистота

В реальном процессе продукта нередко получают меньше, чем следует из расчёта по уравнению реакции. Причинами могут быть побочные реакции, неполное превращение исходных веществ и потери при выделении продукта. Отношение практически полученной массы продукта к теоретически рассчитанной называют выходом продукта: \(\eta = m_\text{практ}/m_\text{теор}\). Выход можно также определить как отношение практически полученного и теоретически рассчитанного количеств одного и того же продукта.

Техническое сырьё может содержать примеси: например, известняк содержит глину, а карбид кальция — оксид кальция и уголь. Чистотой сырья называют массовую долю основного вещества. При расчёте по уравнению реакции учитывают только массу этого вещества, а не всю массу сырья.

edit_noteВыход и чистота вместе

Из 200 кг известняка, содержащего 90,0 % \(\ce{CaCO3}\), получили 95,0 кг негашёной извести. Каков выход? Масса чистого карбоната кальция составляет \(m(\ce{CaCO3}) = 180\) кг, а его количество — \(n(\ce{CaCO3}) = 1{,}80\) кмоль. Теоретическая масса \(\ce{CaO}\) составляет \(1{,}80\cdot56{,}08 = 101\) кг. Следовательно, \(\eta = 95{,}0/101 = 94{,}1\) %.

scienceТехнические продукты и их примеси

\(\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2 ^}\) — по объёму полученного ацетилена определяют чистоту карбида кальция; запах газа обусловлен примесями фосфина и сероводорода.
\(\ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2 ^}\) — при обжиге известняка, содержащего песок и глину, получают тощую известь с примесями.
\(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — при реакции технического цинка с примесью мышьяка выделяется водород, содержащий ядовитый арсин, поэтому для опытов берут чистый цинк.

boltПорядок учёта чистоты и выхода

Сначала учитывают чистоту: от массы сырья переходят к массе чистого вещества. Затем проводят расчёт по уравнению реакции и учитывают выход, умножая теоретическую массу продукта на \(\eta\). Если требуется найти массу сырья по заданной массе продукта, расчёт ведут в обратном порядке: сначала делят массу продукта на \(\eta\), а после расчёта по уравнению делят необходимую массу чистого вещества на \(w\).

push_pinГлавное

Реагент в недостатке определяют сравнением количеств веществ, разделённых на их коэффициенты в уравнении реакции; по этому реагенту рассчитывают количество продукта. Для остатка справедливо соотношение: остаток избыточного реагента = взятое − израсходованное. Выход продукта выражают отношением \(\eta = m_\text{практ}/m_\text{теор}\), а чистота \(w\) показывает долю основного вещества в техническом продукте: в расчёт по уравнению входит только чистое вещество. Результат проверяют по закону сохранения массы: сумма масс всех продуктов и оставшихся веществ равна сумме масс всех взятых веществ.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.