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», а в 1789 году Антуан Лавуазье положил закон сохранения массы в основу своей химии. Уравнение реакции — это закон сохранения атомов, записанный для одного превращения, и его коэффициенты — отношения количеств, а не масс.
Удобно ввести химическую переменную \(\xi\) (степень полноты реакции): для каждого участника \(n_i = n_{i,0} + \nu_i\xi\), где \(\nu_i\) — коэффициент, отрицательный у реагентов. Для синтеза аммиака \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) при \(\xi = 0{,}2\) моль расходуется 0,2 моль азота и 0,6 моль водорода, образуется 0,4 моль аммиака, а общее количество газа уменьшается на 0,4 моль.
Степень превращения \(\alpha\) — доля прореагировавшего вещества: \(\alpha = (n_0 - n)/n_0\). Она относится к конкретному веществу: при избытке водорода степень превращения азота больше, чем водорода.
scienceКрупнотоннажные реакции, которые считают по уравнениям
- \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\) — обжиг пирита.
- \(\ce{2SO2 + O2 <=>[V2O5,\ 450^\circ C] 2SO3}\) — контактное окисление.
- \(\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}\), затем \(\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}\) — триоксид поглощают серной кислотой (олеумом), а не водой: с водой он даёт туман.
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 -> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4}\) — простой суперфосфат.
- \(\ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2 ^}\); \(\ce{CaO + 3C ->[2000^\circ C] CaC2 + CO ^}\) — карбид кальция из известняка и кокса.
boltСохранение атомов вместо цепочки
В многостадийном процессе ищите элемент, который переходит из сырья в продукт без потерь. Для серной кислоты из пирита это сера: 1 моль \(\ce{FeS2}\) — 2 моль \(\ce{H2SO4}\), какими бы ни были промежуточные стадии. Так же для азотной кислоты из аммиака: 1 моль \(\ce{NH3}\) — 1 моль \(\ce{HNO3}\).
Проверка расчёта сохранением атомов
Самая надёжная проверка расчёта по уравнению — подсчитать атомы ключевого элемента в исходных веществах и в продуктах. Если масса железа в оксиде не совпала с массой железа, которое из него получилось, ошибка есть — даже если каждое действие кажется верным.
edit_noteТермитная сварка рельсов
Смесь алюминиевого порошка с оксидом железа(III) поджигают, и реакция \(\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}\) даёт столько тепла, что железо получается жидким и заливает стык рельсов. Сколько железа даёт 54,0 г алюминия? \(n(\ce{Al}) = 2{,}00\) моль, \(n(\ce{Fe}) = 2{,}00\) моль, \(m = 111{,}7\) г. Проверка: оксида нужно 1,00 моль (159,7 г), в нём \(2\cdot55{,}85 = 111{,}7\) г железа — сходится.
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 оказалось, что смесь с оксидом железа прекрасно сваривает рельсы прямо на путях. Алюминотермией до сих пор получают хром, марганец и ванадий для легирования стали.
scienceАлюминотермия
- \(\ce{Fe2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Fe}\) — термит, температура выше 2500 °C.
- \(\ce{Cr2O3 + 2Al -> Al2O3 + 2Cr}\) — безуглеродный хром.
- \(\ce{3MnO2 + 4Al -> 2Al2O3 + 3Mn}\) — марганец.
- \(\ce{3V2O5 + 10Al -> 5Al2O3 + 6V}\) — ванадий для ванадиевой стали.
push_pinГлавное
Коэффициенты уравнения — отношения количеств, поэтому все расчёты ведут в молях. Для реакции удобна химическая переменная \(\xi\): \(n_i = n_{i,0} + \nu_i\xi\) (\(\nu_i < 0\) у реагентов). Степень превращения — доля прореагировавшего вещества. В многостадийных процессах не нужно проходить все стадии: достаточно сохранения атомов ключевого элемента (\(\ce{FeS2 -> 2H2SO4}\)).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.