Количественные соотношения реагирующих веществ

Уравнение химической реакции выражает соотношение числа молекул исходных веществ, превращающихся в определенное коли-чество молекул продуктов. Вследствие постоянства числа Авогадро изменение количества реагирующих веществ происходит пропорцио-нально числу молей этих веществ.

П р и м е р. Реакция нейтрализации гидроксида натрия и серной кислоты:

2 NaOH	+	H2SO4	®	Na2SO4	+	2 H2O
2 моль		1 моль	®	1 моль		2 моль
2∙40 г		98 г	®	142 г		2∙18 г
178 г	=	178 г

Два моля щелочи взаимодействуют с одним молем кислоты с образованием одного моля соли и двух молей воды. Можно выразить это же соотношение, переведя числа молей в единицы массы:

М(NaOH) = 40 г/моль, М(H₂SO₄) = 98 г/моль,

М(Na₂SO₄) = 142 г/моль, М(H₂O) = 18 г/моль.

Из полученного соотношения следует, что при осуществлении реакции на каждые 80 г гидроксида натрия необходимо добавить 98 г серной кислоты, при этом получится 142 г соли и 36 г воды. И, конеч-но, выполняется закон сохранения вещества: общая масса веществ, вступающих в химическую реакцию (178 г), равна общей массе продуктов реакции (178 г).

Если задана масса одного из реагентов, то, используя количест-венные соотношения, заданные уравнением реакции, можно определить массы остальных веществ.

П р и м е р. Сколько граммов серной кислоты необходимо доба-вить к 1,6 г гидроксида натрия для полной нейтрализации щелочи?

	2NaOH	+	H2SO4	®	Na2SO4	+	2H2O
М(X), г/моль
n(X), моль	1,6/40 =0,04		0,02		0,02		0,04
m(X), г	1,6		0,02∙98= 1,96		0,02∙142= 2,84		0,04∙18= 0,72

Ответ: 1,96 г серной кислоты.

Уравнение реакции показывает соотношение количеств реаги-рующих веществ. В случае протекания реакций между растворами для определения количества (масса или объем) взаимодействующих растворов необходимо учитывать содержание реагирующих веществ в растворе. Раствор состоит из растворенного вещества и растворите-ля, чаще всего воды. Растворитель не расходуется при протека-
нии реакции, поэтому при расчете количество реагентов не учиты-вается.

Концентрация

Концентрация растворенного вещества − величина, характери-зующая количественный состав раствора (количество растворенного вещества в единице массы или объема раствора). Чаще всего это массовая доля (w) и молярная концентрация (C(X)), молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) , моляльная концентрация (В(X)).

Массовая доля (w) – доля растворенного вещества в единице массы раствора − вычисляется как отношение массы растворенного вещества m(X) к массе раствора (m_p):

или .

Массовая доля, выраженная в процентах (w_%), − процентная концентрация − численно равна массе растворенного вещества в граммах, содержащейся в 100 г раствора. Соответственно масса растворенного вещества, содержащегося в растворе:

или .

В зависимости от выбранной единицы измерения для характери-стики состава раствора кроме массовой доли используют мольную или объемную долю .

П р и м е р. Какое количество гидроксида натрия содержится в 300 г его 5%-ного раствора?

100 г раствора содержат 5 г NaOH, 300 г раствора содержат

.

Если стоит задача определить массу растворенного вещества в объеме раствора, то необходимо знать его плотность .

П р и м е р. Какое количество гидроксида натрия содержится в
300 мл 5% раствора? Плотность раствора .

Масса раствора

;

масса растворенного вещества

.

Молярная концентрация вещества Х – количество растворенного вещества в молях, содержащегося в 1 л раствора:

[моль/л].

Соответственно количество вещества, содержащегося в растворе:

n(X) = C(X)∙V, [моль],

где V − объем раствора в литрах.

Часто встречается другое обозначение молярной концентрации C(X), которое принято обозначать «М». Так, раствор с концентрацией C(X) = 0,5 моль/л º 0,5 М раствор.

П р и м е р. Какое количество хлористого водорода в граммах содержится в 2 л раствора соляной кислоты концентрации C(HCl) = = 0,1 моль/л (0,1 М)?

1 л раствора кислоты содержит 0,1 моль HCl;

2 л раствора содержат

n (HCl) = C(HCl)∙V = 0,1·2 = 0,2 моль HCl.

Масса содержащегося в растворе хлористого водорода:

m(HCl) = n (HCl)·М(HCl) = 0,2·36,5 = 7,3 г,

М(HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль.

Молярная концентрация эквивалента вещества Х − количество моль эквивалентов вещества, содержащееся в 1 л раствора:

.

Другое, часто используемое, название молярной концентрации эквивалента − нормальная концентрация (C_н), которое принято обозначать «н». Так, раствор с молярной концентрации эквивалента = 0,1 моль/л обозначается C_н(1/z) = 0,1 моль/л (0,1 н. рас-твор), где z – эквивалентное число. Например, для перманганата калия в окислительно-восстановительных реакциях С(1/5 КMnO₄) º C_н (1/5) [моль/л].

Соответственно количество эквивалентов вещества X, содержа-щееся в растворе:

n[(1/z)X] = C[(1/z)X]∙V, [моль],

где V − объем раствора в литрах.

П р и м е р. Какое количество серной кислоты в граммах содержат 200 мл 0,1 (1/2) н. раствора.

Так как 0,1 (1/2) н. раствор º молярная концентрация эквивалента C[(1/2)H₂SO₄] = 0,1 моль/л, 1 л раствора кислоты содержит 0,1 моль эквивалентов H₂SO₄

200 мл = 0,2 л раствора содержат n[(1/2)H₂SO₄]

n[(1/2)H₂SO₄] = C[(1/2)H₂SO₄]∙V = 0,1·0,2 = 0,02 моль эквивалентов HCl

Масса содержащейся в растворе серной кислоты:

М(H2SO₄) = 98 г/моль, z = 2 ® ;

m(H2SO₄) = M[(1/2)H₂SO₄]·n[(1/2)H₂SO₄] = 0,02·49 = 0,98 г.

Моляльная концентрация вещества Х – количество растворено-го вещества в молях, растворенного в 1 кг растворителя:

.

Другое обозначение моляльной концентрации – C_m (моляльность раствора).

П р и м е р. Раствор хлорида натрия, моляльная концентрация соли C_m = 5 моль/кг. Рассчитать массовую долю NaCl.

Так как C_m º В(X) = 5 моль/кг, 1 кг воды содержит 5 моль NaCl.

Масса растворенной соли

m(NaCl) = М(NaCl)·n(NaCl) = 58,5·5 = 292,5 г,

М(NaCl) = 23 + 35,5 = 58, 5 г/моль;

Масса раствора

m_p = m(H₂O) + m(NaCl) = 1000 + 292,5 =1292,5 г.

Массовая доля NaCl (процентная концентрация):