Зарегистрироваться Войти через вк

Расчеты объемных отношений газов при химической реакции. Тепловой эффект

Расчет объемных cоотношений газов при химических реакциях

Прежде чем приступить к решению задач по данной теме, нужно вспомнить теоретический материал.

Закон Авогадро

Одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое число молекул.

Следствие из закона Авогадро

При одинаковых условиях $1$ моль любого газа занимает одинаковый объем.

Объем газа количеством $1$ моль, измеренный при н. у., называют молярным объемом и обозначают $V_m$.

Следовательно: $n={V}/{V_m}$, где $V$ - объем газа, $n$ - количество газа.

Отсюда $V=V_m·n$ и $V_m={V}/{n}$.

Молярный объем — это физическая величина, равная отношению объема вещества к количеству вещества.

На основании закона Авогадро можно определять молекулярные массы газообразных веществ по их плотности. Относительную плотность газа обозначают буквой $D$ (безразмерная величина).

Отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа (при одинаковых условиях) называется плотностью первого газа по второму.

$D(H_2)={nM}/{n·2}={M}/{2}$, где $n$ - число молекул в данном объеме, $M$ - молярная масса газа, число $2$ - молярная масса водорода, $D(H_2)$ - плотность по водороду.

Плотность по воздуху $D(\text"возд.")={M}/{29}$, где $M(\text"возд.")=29$г/моль.

Закон объемных соотношений

При одинаковых условиях объемы газов, вступающих в реакцию, относятся друг к другу, а также к объемам газообразных продуктов как небольшие целые числа.

Коэффициенты в уравнениях реакций показывают числа объемов реагирующих и образовавшихся газообразных веществ.

Например: $2$ объема водорода и $1$ объем кислорода дают $2$ объема водяного пара:

$2H_2+O_2=2H_2O$.

Молярный объем газообразных веществ выражается в л/моль: $V_m=22.4$ л/моль.

В расчетах следует учитывать, что объем:

  • одного миллимоля (мМ) - $22.4 мл$;
  • одного киломоля (кМ) - $22.4 м^3$;
  • одного мегамоля (ММ) - $22 400 м^3$.

Задача 1. Найдите массу $33.6 м^3$ аммиака $NH_3$ при н. у.

Дано:

$V(NH_3)=33.6м^3$

$m(NH_3)-?$

Решение:

$m=M·n, n={V}/{V_m}$

$M(NH_3)=14+1·3=17$кг/кмоль

$n(NH_3)=33.6м^3:22.4м^3$/кмоль$=1.5$кг/кмоль

$m(NH_3)=17$кг/кмоль$·1.5$кмоль$=25.5$кг

Ответ: $m(NH_3)=25.5$кг.

Задача 2. Найдите массу и объем (н.у.), которые имеют $18·10^{20}$ молекул сероводорода $H_2S$. При решении задачи обратим внимание на число молекул $18·10^{20}$. Так как $10^{20}$ в $1000$ раз меньше $10^{23}$, расчеты следует вести с использованием ммоль, мл/моль и мг/моль.

Дано:

${N(H_2S)}↙{\text"молекул"}=18·10^{20}$

$m(H_2S)-?$

$V(H_2S)-?$

Решение:

$m=M·n, V=V_{m}·n, n={N}/{N_a}$

$M(H_2S)=1·2+32=34$(мг/ммоль)

$n(H_2S)=18·10^{-20}:6·10^{20}=3$(ммоль)

$m(H_2S)=34$мг/ммоль$·3$ммоль$=102$мг

$V(H_2S)=22.4$мл/моль$·3$ммоль$=67.2$мл

Ответ: $m(H_2S)=102$мг; $V(H_2S)=67.2$мл

Задача 3. Вычислите плотность и относительные плотности оксида углерода (IV) по водороду и воздуху.

Дано:

$M(CO_2)=44$г/моль

$M(H_2)=2$г/моль

$M(возд.)=29$г/моль

$ρ(CO_2)-?$

$D(H_2)-?$

$D(возд.)-?$

Решение:

$ρ={m}/{V}, ρ(CO_2)={44г}/{22.4л}=1.96$г/л

$D(H_2)={M(CO_2)}/{M(H_2)}={44}/{2}=22;$

$D(возд.)={M(CO_2)}/{M(возд.)}={44}/{29}=1.52$

Ответ: $ρ(CO_2)=1.96$г/л, $D(H_2)=22, D(возд.)=1.52$

Задача 4. Вычислите объем кислорода для сжигания $5м^3$ метана ($CH_4$).

Дано:

$V(CH_4)=5м^3$

$V(O_2)-?$

Решение. Отношение объемов реагирующих газов позволяет произвести расчеты, не вычисляя относительных молекулярных масс.

${CH_4}↙{1V_{{1м^3}_{5м^3}}}+{2O_2}↙{2V_{{2м^3}_{xм^3}}}=CO_2+2H_2O$

${1}/{5}={2}/{x};x={5·2}/{1}=10; x=10м^3$

Ответ: для сжигания $5м^3$ метана требуется $10м^3$ кислорода.

Расчет теплового эффекта реакции

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими.

Если перед числом, выражающим теплоту реакции, стоит знак "+", значит, энергия выделяется.

Реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими.

Если перед числом, выражающим теплоту реакции, стоит знак "-", значит, энергия поглощается.

Теплоту реакции записывают обычно в конце уравнения, ее еще называют тепловым эффектом химической реакции и обозначают буквой $Q$ (Дж, кДж).

Химические уравнения, в которых указывается тепловой эффект, называются термохимическими.

$2H_2+O_2=2H_2O$ - эндотермическая реакция.

$S+O_2=SO_2+297$ кДж - экзотермическая реакция.

Для термохимического уравнения:

$aA+bB=cC+dD+Q$

существует прямо пропорциональная зависимость между количеством исходного вещества $A-nA$ и количеством выделившейся или поглощенной теплоты $Q_1$:

${a}/{n(A)}={Q}/{Q_1}$ или ${c}/{n(C)}={Q}/{Q_1}$.

Задача 1. Вычислите по термохимическому уравнению количество теплоты, выделившейся при сгорании $1$ кг угля: $C+O_2=CO_2+402.24$ кДж.

Дано:

$m(C)-1$кг

$Q=402.24$кДж

$Q_1=?$

Решение:

Данное термохимическое уравнение показывает, что при сгорании $1$ моль угля ($12$г) выделилось $402.24$ кДж. Можно составить пропорцию:

$12$г угля - $402.24$ кДж

$1000$г угля - $Q_1$

${12}/{1000}={402.24}/{Q_1}=; Q_1={1000·402.24}/{12}=33520$кДж

Ответ: $33 520$ кДж выделяется при сгорании $1$ кг угля.

Задача 2. При взаимодействии алюминия массой $9$ г с кислородом выделилось $274.44$ кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции.

Дано:

$m(Al)-9$г

$Q_1=+274.44$кДж

$Q=?$

Решение:

1. Определяем количество вещества алюминия, взятого для реакции:

$n(Al)={m(Al)}/{M(Al)}={9г}/{27г/{моль}}=0.33$моль

2. Составляем уравнение реакции горения алюминия:

$4Al+3O_2=2Al_2O_3$.

3. Применяем формулу ${a}/{n(A)}={Q}/{Q_1}$ к уравнению реакции и находим количество выделившейся теплоты, если в реакцию вступило $4$ моль алюминия:

${4}/{0.33}={Q}/{Q_1}; Q={4моль·Q_1}/{0.33моль}={4·274.44}/{0.33}=3326.56$кДж

4. Термохимическое уравнение реакции имеет следующий вид:

$4Al+3O_2=2Al_2O_3+3326.56$ кДж.

Практика: решай 28 задание и тренировочные варианты ЕГЭ по химии