1.2.4.Расчеты по уравнениям реакций с участием газов

П

Объемы газов, вступающих в химическую реакцию и образующихся в результате этой реакции, измеренные при одинаковых условиях, соотносятся как коэффициенты в уравнении реакции, например:

2СН₄  С₂Н₂ + 3Н₂

V(СН₄) : V(С₂Н₂) : V(Н₂) = 2 : 1 : 3

ример 27. 2 л метиламина (CH₃NH₂) смешали с 6 л кислорода при нормальных условиях и подожгли. Определите объем и плотность образовавшейся газовой смеси после приведения ее к нормальным условиям.

Решение:

4CH₃NH₂ + 9 O₂  4CO₂ + 2 N₂ + 10 H₂O + (O₂)

1. Определяем, какое вещество было в избытке, и какое в недостатке. Для этого объемы исходных газов делим на коэффициенты в уравнении реакции, и полученные цифры сравниваем между собой:

(для метиламина) 2 / 4 = 0,5; (для кислорода) 6 / 9 = 0,667; 0,667 > 0,5. Следовательно, кислород был в избытке, а метиламин в недостатке.

2. Расчет ведем по веществу, бывшему в недостатке, т.е. по метиламину. Согласно уравнению реакции 4 объема метиламина реагируют с 9 объемами кислорода с образованием 4 объемов оксида углерода (IV) и 2 объемов азота (вода при приведении к нормальным условиям конденсируется в жидкость). Таким образом, объем образовавшегося СО₂ равен объему сгоревшего метиламина (2 л), объем образовавшегося азота в два раза меньше (1 л), объем прореагировавшего кислорода в 4 / 9 раза больше объема метиламина (2,25 ∙ 2 = 4,5 л). Кислорода осталось (6 – 4,5 = 1,5 л).

Было: 2 6

4CH₃NH₂ + 9O₂  4CO₂ + 2N₂ + 10H₂O + (O₂)

Прореагировало: 2 4,5 стало: 2 1 1,5

3. Конечная газовая смесь содержит 2 л СО₂, 1 л N₂ и 1,5 л О₂.

V(конечной газовой смеси) = V(CO₂) + V(N₂) + V(O₂) = 2 + 1 + 1,5 = 4,5 л.

4. Определяем среднюю молярную массу, и плотность конечной газовой смеси:

М_ср. = (СО₂) ∙ М(СО₂) + (N₂) ∙ M(N₂) + (О₂) ∙ М(О₂) = (2 / 4,5) ∙ 44 + (1 / 4,5) ∙ 28 + (1,5 / 4,5) ∙ 32 = 36,44 г/моль.

 = М_ср. / 22,4 = 36,44 / 22,4 = 1,627 г/л.

Ответ: V(конечной газовой смеси) = 4,5 л;  = 1,627 г/л.

Пример 28. После пропускания оксида углерода(IV) над раскаленным углем образовалась газовая смесь с плотностью по водороду 16. Определите выход оксида углерода(II) в этой реакции.

Решение:

СО₂ + С  2СО

1. Определяем среднюю молярную массу образовавшегося газа, и объемные доли газов в конечной смеси:

М_ср. = 16 ∙ 2 = 32 г/моль. (СО₂) ∙ 44 + (СО) ∙ 28 = 32; (СО) = 1 – (СО₂);

(СО₂) ∙ 44 + 28 ∙ (1 – (СО₂) = 32; 16 ∙ (СО₂) = 4; (СО₂) = 0,25;

(СО) = 1 – 0,25 = 0,75.

2. Допустим, что образовался 1 л газовой смеси, тогда V(СО₂) в ней = 0,25 л, а V(СО) = 0,75 л. Согласно коэффициентам в уравнении реакции объем прореагировавшего СО₂ в 2 раза меньше объема образовавшегося СО:

V(прореагировавшего СО₂) = 0,75 / 2 = 0,375 л.

Общий объем исходного СО₂ = V(прореагировавшего СО₂) + V(СО₂ в конечной газовой смеси) = 0,375 + 0,25 = 0,625 л.

Из 0,625 л СО₂ теоретически может образоваться 0,625 ∙ 2 = 1,25 л СО.

Выход = V(СО практически полученный) / V(СО теоретически возможный) = 0,75 / 1,25 = 0,6 (60%)

Ответ: Выход СО составляет 60%.

Пример 29. Некоторое количество пропена смешали с избытком кислорода и подожгли. Объем полученной газовой смеси оказался на 2,5 л меньше объема исходной смеси пропена с кислородом (все объемы измерены при н.у.). Определите объемы сгоревшего пропена, прореагировавшего кислорода и образовавшегося оксида углерода(IV).

Решение:

2С₃Н₆ + 9О₂  6СО₂ + 6Н₂О

2х 9х 6х

Согласно уравнению реакции 2 объема пропена реагируют с 9 объемами кислорода, образуя 6 объемов оксида углерода(IV). Общее изменение объема газовой смеси в результате реакции равно 5 объемов.

V = 2х + 9х – 6х = 5х; 5х = 2,5 л; х = 2,5 / 5 = 0,5 л.

V(сгоревшего пропена) = 2х = 0,5 ∙ 2 = 1 л;

V(прореагировавшего кислорода) = 9х = 0,5 ∙ 9 = 4,5 л;

V(образовавшегося СО₂) = 6х = 0,5 ∙ 6 = 3 л.

Ответ: V(сгоревшего пропена) = 1 л; V(прореагировавшего кислорода) = 4,5 л; V(образовавшегося СО₂) =3л.

Пример 30. В результате пропускания воздуха через озонатор его плотность увеличилась на 3%. Определите объемную долю озона в озонированном воздухе.

Решение:

3О₂  2О₃

3х 2х

1. (озонированного воздуха) = (исходного воздуха) + 0,03 ∙ (исходного воздуха) = 1,03 ∙ (исходного воздуха)

(озонированного воздуха) = m(газа) / V(озонированного воздуха);

(исходного воздуха) = m(газа) / V(исходного воздуха)

m(газа) / V(озонированного воздуха) = 1,03 ∙ m(газа) / V(исходного воздуха)

Поскольку в результате реакции масса газа не изменяется, V(исходного воздуха) = 1,03 ∙ V(озонированного воздуха).

2. Пусть объем озонированного воздуха равен 1 л, тогда объем исходного воздуха был 1,03 л, и изменение объема составило 0,03 л.

V = 3x – 2x = x; V(O₃) = 2x = 2 ּV = 0,03 ∙ 2 = 0,06 л

(О₃) = V(O₃) / V(озонированного воздуха) = 0,06 / 1 = 0,06 (6%)

Ответ: (О₃) = 6%.

Задачи для самостоятельного решения

43. Смесь аммиака с кислородом с плотностью по водороду 13 пропустили над платино–родиевым катализатором. Определите состав полученной газовой смеси в % по объему после удаления паров воды, если считать, что каталитическое окисление аммиака протекает с выходом 100%.

44. После пропускания смеси 5 л азота с 7 л водорода над железным катализатором объем газовой смеси уменьшился на 2 л. Определите объемный состав и плотность конечной газовой смеси по водороду. Все объемы измерены при одинаковых условиях.

45. Смесь этиламина (С₂Н₅NH₂) с избытком кислорода подожгли. После приведения к нормальным условиям объем газовой смеси уменьшился на 36%. Определите объемные доли веществ в конечной газовой смеси.

46. Смесь кислорода с азотом пропустили через озонатор, при этом объем газовой смеси уменьшился на 10%, а ее плотность стала 1,508 г/л (н.у.). Определите состав исходной смеси азота с кислородом в % по объему и выход озона в озонаторе.

47. После пропускания смеси этилена (СН₂=СН₂) и водорода над никелевым катализатором плотность газа возросла на 25%. Полученный газ не обесцвечивает бромную воду. Определите объемные доли веществ в конечной газовой смеси.

48. Смесь бутана с кислородом объемом 14 л (н.у.) подожгли. После приведения к нормальным условиям объем газовой смеси стал 8,75 л. Определите составы исходной и конечной газовых смесей в % по объему, если известно, что кислород был в избытке.

49. После сжигания смеси этиламина с избытком кислорода и приведения к нормальным условиям масса газов уменьшилась на 2,52 г, а объем их стал 3,36 л. Определите объемные составы (в литрах) исходной и конечной газовых смесей.

50. Смесь азота с кислородом объемом 15,68 л и с плотностью 1,3775 г/л (н.у.) пропустили через озонатор. Рассчитайте состав газовой смеси после озонатора в % по объему, если известно, что ее плотность по водороду равнялась 16.

51. 100 мл смеси азота, метана и метиламина при нормальных условиях смешали с 300 мл кислорода и подожгли. После приведения к н.у. объем газовой смеси составил 252,5 мл, а после ее пропускания через избыток раствора щелочи он уменьшился до 172,5 мл. Определите объемные доли газов в исходной смеси.

52. 11,2 л (н.у.) метана нагрели до высокой температуры. При этом часть метана разложилась, в результате чего образовалась газовая смесь объемом 20,16 л. После пропускания над никелевым катализатором ее объем уменьшился на 22,22 %. Определите объемные доли газов в конечной газовой смеси, если известно, что она не обесцвечивает бромную воду.