1.5. Химические расчеты

Важнейшим практическим следствием атомно-молекулярного учения явилась возможность проведения химических расчетов. Эти расчеты основаны на том, что состав индивидуальных веществ можно выразить химическими формулами, a взаимодействие между веществами происходит согласно химическим уравнениям.

Расчеты по формулам. Химическая формула может дать много сведений о веществе. Прежде всего, она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента имеется в его молекуле. Затем она позволяет рассчитать ряд величин, характеризующих данное вещество. Укажем важнейшие из этих расчетов.

Молярную массу молекул вещества вычисляют по формуле как сумму молярных масс атомов, входящих в состав молекулы вещества.

Молярную массу эквивалентов вещества вычисляют, исходя из его молярной кассы. Молярная масса эквивалентов кислоты равна ее молярной массе, деленной на основность кислоты. Молярная масса эквивалентов основания равна его молярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание. Молярная масса эквивалентов соли равна ее молярной массе, деленной на произведение валентности металла на число его атомов в молекуле.

Примеры.

HNОз. Молярная масса 63 г/моль. Молярная масса эквивалентов 63:1 = 63 г/моль.

H₂SO₄. Молярная масса 98 г/моль. Молярная масса эквивалентов 98:2 = 49 г/моль.

Са(0Н)₂. Молярная масса 74 г/моль. Молярная масса эквивалентов 74:2 = 37 г/моль.

Al(S0₄)₃. Молярная масса 342 г/моль. Молярная масса эквивалентов 342:(2х3) =

= 57 г/моль.

Подобно молярной массе эквивалентов элемента, молярная масса эквивалентов сложного вещества может иметь несколько значений, если вещество способно вступать в реакции различного типа. Так, кислая соль NaHS0₄ может взаимодействовать с гидроксидом натрия или с гидроксидом бария:

NaHS0₄ + NaOH = Na₂S0₄ + H₂0,

NaHS0₄ + Ва (0Н)₂ = BaS0₄ ↓ + NaOH + H₂0.

Одно и то же количество соли реагирует в первом случае с одним молем основания, образованного одновалентным металлом (т. е. с одним эквивалентом основания), а во втором — с одним молем основания, образованного двухвалентным металлом (т. е. с двумя эквивалентами основания). Поэтому в первом случае молярная масса эквивалентов NaHS0₄ равна молярной массе соли (120 г/моль), а во втором - молярной массе, деленной на два (60 г/моль).

Массовые доли элементов в сложном веществе. Обычно элементный состав вещества выражают в массовых долях, выраженных процентах. Вычислим, например, содержание магния в карбонате магния MgC0₃. Для этого подсчитаем молярную массу этого соединения. Она равна 24,3 + 12 + 3 16 = 84,3 г/моль. Приняв эту величину за 100%, найдем содержание магния: х = 24,3∙100/84,3 = 28,8% (масс).

Масса 1 л газа при 0°С и давлении 101,325 кПа. Один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Следовательно, масса 1 л газа при тех же условиях равна молярной массе этого газа, деленной на 22,4.

Объем, занимаемый данной массой газа. Если газ находится при 0°С и нормальном атмосферном давлении, то расчет можно произвести, исходя из молярного объема газа (22,4 л/моль). Если же газ находится при иных давлении и температуре, то вычисление объема производят по уравнению Клапейрона— Менделеева

pV = m_BRT/M_B.

По этому же уравнению нетрудно производить обратный расчет - вычислять массу данного объема газа.

Расчеты по уравнениям. Согласно атомно-молекулярному учению химическая реакция состоит в том, что частицы исходных веществ превращаются в частицы продуктов реакции. Зная состав частиц исходных веществ и продуктов реакции, можно выразить любую реакцию химическим уравнением. Написав уравнение реакции, уравнивают числа атомов в левой и правой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя. Уравнение достигается только правильным подбором коэффициентов, стоящих перед формулами исходных веществ и продуктов реакции.

Иногда вместо полного уравнения реакции дается только ее схема, указывающая, какие вещества вступают в реакцию и какие получаются в результате реакции. В таких случаях обычно заменяют знак равенства стрелкой: → например, схема реакции горения сероводорода имеет следующий вид:

Н₂S + О₂ → Н₂О + SО₂.

Химические уравнения используют для выполнения различных расчетов, связанных с реакциями. Напомним, что каждая формула в уравнении химической реакции изображает один моль соответствующего вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ - участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию и образующимися в результате ее протекания. Например, уравнение

2NаОН + Н₂SО₄ = Nа₂SО₄ + 2Н₂О

показывает, что два моля гидроксида натрия вступают во взаимодействие с одним молем серной кислоты и при этом образуется один моль сульфата натрия и два моля воды. Молярные массы участвующих в этой реакции веществ равны: М_NаOH = 40 г/моль; M_H2SO4= 98 г/моль; М_Na2SO4 = 142 г/моль; Мн₂о = 18 г/моль. Поэтому уравнение рассматриваемой реакции можно прочесть так: 80 г гидроксида натрия взаимодействуют с 98 г серной кислоты с образованием 142 г сульфата натрия и 36 г воды.

Если в реакции принимают участие вещества, находящиеся в газообразном состоянии, то уравнение реакции указывает также и на соотношения между объемами этих газов.

Пример. Сколько литров кислорода, взятого при нормальных условиях, израсходуется для сжигания одного грамма этилового спирта С₂Н₅ОН?

Молекулярная масса этилового спирта равна 12 ∙ 2 + 1 ∙ 5 + 16 + 1 = 46. Следователь­но, молярная масса этилового спирта равна 46 г/моль. Согласно уравнению реакции горения спирта

С₂Н_бОН + 3 О₂ = 2СО₂ + ЗН₂О

при сжигании одного моля спирта расходуется три моля кислорода. Иначе говоря, при сжигании 46 г спирта расходуется 22,4 ∙ 3 = 67,2 л кислорода. Следовательно, для сжигания одного грамма этилового спирта потребуется 67,2 ∙ ¹/46 = 1,46 л кислорода, взятого при нормальных условиях.

1 Простейшие соединения углерода (СО, С0₂, Н₂СО₃ и карбонаты, HCN и цианиды, карбиды и некоторые другие) обычно рассматриваются в курсе неорганической химии.