Уравнение реакции как количественная модель
Коэффициенты и химическая переменная
В 1748 году Михаил Ломоносов писал, что «все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому». В 1789 году Антуан Лавуазье положил закон сохранения массы в основу своей химии. При химической реакции атомы сохраняются, поэтому уравнение реакции составляют так, чтобы число атомов каждого элемента в его левой и правой частях совпадало. Коэффициенты в таком уравнении выражают соотношения количеств вещества реагентов и продуктов, а не их масс.
Чтобы описать, сколько вещества уже вступило в реакцию и сколько образовалось, вводят химическую переменную \(\xi\). Для каждого участника реакции справедливо соотношение \(n_i = n_{i,0} + \nu_i\xi\), где \(n_{i,0}\) — его исходное количество, а \(\nu_i\) — коэффициент, отрицательный у реагентов. Например, при синтезе аммиака \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) и \(\xi = 0{,}2\) моль расходуется 0,2 моль азота и 0,6 моль водорода, образуется 0,4 моль аммиака. Следовательно, общее количество газа уменьшается на 0,4 моль.
Химическая переменная относится ко всей реакции. Если же нужно указать, какая доля одного из исходных веществ прореагировала, используют степень превращения \(\alpha\): \(\alpha = (n_0 - n)/n_0\). Степень превращения рассчитывают для конкретного вещества. Поэтому при избытке водорода степень превращения азота больше, чем степень превращения водорода.
По коэффициентам уравнений рассчитывают расходы сырья и количества продуктов, в том числе для крупнотоннажных процессов.
scienceКрупнотоннажные реакции и их продукты
- \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\) — при обжиге пирита образуются оксид железа(III) и диоксид серы.
- \(\ce{2SO2 + O2 <=>[V2O5,\ 450^\circ C] 2SO3}\) — при контактном окислении диоксид серы превращается в триоксид серы.
- \(\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}\), затем \(\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}\) — триоксид серы поглощают серной кислотой с образованием олеума, который затем разбавляют водой; при непосредственном взаимодействии триоксида серы с водой образуется туман серной кислоты.
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 -> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4}\) — в результате реакции получают простой суперфосфат.
- \(\ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2 ^}\); \(\ce{CaO + 3C ->[2000^\circ C] CaC2 + CO ^}\) — из известняка и кокса получают карбид кальция.
Если процесс состоит из нескольких реакций, иногда не требуется рассчитывать каждую стадию отдельно. Достаточно проследить за атомами элемента, которые переходят из сырья в конечный продукт без потерь.
boltСохранение атомов при расчёте многостадийного процесса
При получении серной кислоты из пирита таким элементом служит сера. Если потерь нет, из 1 моль \(\ce{FeS2}\) можно получить 2 моль \(\ce{H2SO4}\) независимо от числа промежуточных стадий. По той же причине при получении азотной кислоты из аммиака 1 моль \(\ce{NH3}\) соответствует 1 моль \(\ce{HNO3}\).
Проверка расчёта сохранением атомов
Сохранение атомов помогает не только составлять уравнения реакций, но и проверять расчёты по ним. Для этого сравнивают количество атомов выбранного элемента в исходных веществах и продуктах. Например, если железо получают из его оксида, масса железа в израсходованном оксиде должна совпадать с массой полученного железа. Несовпадение означает ошибку в расчёте.
edit_noteТермитная сварка рельсов
Смесь алюминиевого порошка с оксидом железа(III) поджигают. При реакции \(\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}\) выделяется столько тепла, что железо получается жидким и заливает стык рельсов. Рассчитаем, сколько железа можно получить из 54,0 г алюминия при достаточном количестве оксида. Количество алюминия составляет \(n(\ce{Al}) = 2{,}00\) моль. По коэффициентам уравнения \(n(\ce{Fe}) = 2{,}00\) моль, поэтому \(m = 111{,}7\) г. Проверим результат: для реакции требуется 1,00 моль оксида железа(III), или 159,7 г. В этом количестве оксида содержится \(2\cdot55{,}85 = 111{,}7\) г железа, что совпадает с рассчитанной массой продукта.
history_eduТермит Гольдшмидта
В 1893 году немецкий химик Ганс Гольдшмидт искал способ получать чистые тугоплавкие металлы без углерода и нашёл его в реакции оксидов с алюминием: \(\ce{Cr2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Cr}\). Вскоре выяснилось, что смесь алюминия с оксидом железа подходит для сварки рельсов прямо на путях. Алюминотермией до сих пор получают хром, марганец и ванадий для легирования стали.
scienceРеакции алюминотермии
- \(\ce{Fe2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Fe}\) — при реакции термитной смеси температура превышает 2500 °C.
- \(\ce{Cr2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Cr}\) — при восстановлении оксида хрома получают хром без примеси углерода.
- \(\ce{3MnO2 + 4Al -> 2Al2O3 + 3Mn}\) — при восстановлении оксида марганца получают марганец.
- \(\ce{3V2O5 + 10Al -> 5Al2O3 + 6V}\) — при восстановлении оксида ванадия получают ванадий для ванадиевой стали.
push_pinГлавное
Коэффициенты уравнения реакции задают соотношения количеств вещества, поэтому расчёты по уравнению ведут в молях. Изменение количества каждого участника описывает химическая переменная \(\xi\): \(n_i = n_{i,0} + \nu_i\xi\) (\(\nu_i < 0\) у реагентов). Степень превращения показывает долю прореагировавшего исходного вещества. В многостадийном процессе соотношение между сырьём и продуктом можно найти по сохранению атомов ключевого элемента, не рассчитывая все стадии отдельно (\(\ce{FeS2 -> 2H2SO4}\)). Сохранение атомов также служит проверкой полученного результата.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.