Все формулы РФ

Химия / Стехиометрия

Расчет объема газа по уравнению реакции

Объем газообразного продукта по уравнению реакции находят через количество исходного вещества, коэффициенты реакции и молярный объем газа.

Опубликовано: Обновлено:

Школьная программаОГЭЕГЭСтехиометрияГазы в химииКалькуляторЕсть историческая справка

Формула

$$V_B=\frac{m_A}{M_A}\cdot\frac{\nu_B}{\nu_A}\cdot V_m$$
Схема От реагента к литрам газа

Масса реагента переходит в моли, затем через коэффициенты в моли газа и литры.

Молярный объем применяют только к количеству вещества газа.

Обозначения

$V_B$
объем газа B, л
$m_A$
масса исходного вещества A, г
$M_A$
молярная масса A, г/моль
$\nu_A, \nu_B$
коэффициенты в уравнении реакции, безразмерные
$V_m$
молярный объем газа при заданных условиях, л/моль

Условия применения

  • Газовый объем используют для газа при указанных одинаковых условиях температуры и давления.
  • При нормальных условиях в школьных задачах обычно берут Vm = 22,4 л/моль.
  • Уравнение реакции должно быть уравнено, а исходный реагент - ограничивающим.

Ограничения

  • Формула с 22,4 л/моль не подходит для произвольной температуры и давления.
  • Если газ собирают над водой, нужно учитывать давление водяного пара в более точных расчетах.
  • При наличии нескольких реагентов сначала определяют недостаток, иначе объем газа может быть завышен.

Подробное объяснение

Расчет объема газа по реакции начинается так же, как любой стехиометрический расчет: массу реагента переводят в количество вещества. Коэффициенты уравнения связывают моли реагента и газа, а не их массы и объемы напрямую.

После нахождения количества газа его объем получают через молярный объем. При нормальных условиях один моль идеального газа занимает примерно 22,4 л. Поэтому V = nVm работает только тогда, когда условия соответствуют выбранному Vm.

Если температура и давление отличаются от нормальных, газовые формулы требуют pV = nRT или данных о молярном объеме при этих условиях. Это важное отличие от стехиометрии твердых веществ, где масса не зависит от температуры так заметно.

Формула не заменяет выход реакции. Она дает теоретический объем газа при полном превращении ограничивающего реагента. Если задан выход, практический объем дополнительно умножают на долю выхода.

Практическая проверка формулы всегда начинается с единиц и с вопроса, какая величина является частью, целым, количеством вещества, объемом или энергией. Такая проверка не заменяет расчет, но быстро показывает, не смешаны ли массовая доля, молярная концентрация, выход реакции и газовые условия.

Как пользоваться формулой

  1. Уравняйте реакцию и определите газ, объем которого требуется.
  2. Переведите массу исходного вещества в моли.
  3. По коэффициентам найдите количество вещества газа.
  4. Выберите молярный объем для заданных условий.
  5. Умножьте количество газа на молярный объем.

Историческая справка

Газовые стехиометрические расчеты стали важны после работ Гей-Люссака об объемных отношениях газов и гипотезы Авогадро. Химики заметили, что газообразные вещества при одинаковых условиях реагируют в простых объемных отношениях, что хорошо согласуется с молярными отношениями в уравнениях. Позднее понятие молярного объема позволило связывать количество газа с литрами, удобными для эксперимента. В школьной химии расчет объема газа по реакции объединяет две линии развития: стехиометрию химических уравнений и газовые законы, поэтому требует аккуратного обращения с условиями температуры и давления. Позднее эта запись закрепилась в учебных курсах как короткий расчетный прием: она связывает измеряемые величины с химической моделью и позволяет ученику проверить не только число, но и выбранный способ рассуждения.

Историческая линия формулы

Формула является учебным объединением стехиометрии и молярного объема. Исторически она связана с работами Гей-Люссака, Авогадро и развитием газовых законов, но современная запись не принадлежит одному автору. Поэтому корректнее говорить о развитии общего расчетного языка химии, а не о персональном открытии одной записи.

Пример

Найдем объем водорода при нормальных условиях, который выделится при реакции 6,5 г цинка с кислотой: Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Молярная масса Zn равна 65 г/моль, значит n(Zn)=6,5/65=0,10 моль. По уравнению 1 моль Zn дает 1 моль H2, поэтому n(H2)=0,10 моль. При нормальных условиях V(H2)=0,10*22,4=2,24 л. Если условия не нормальные, вместо 22,4 л/моль нужно использовать pV=nRT или другой заданный молярный объем. Дополнительная проверка результата состоит в том, чтобы вернуть найденную величину в исходную формулу и убедиться, что единицы сокращаются именно так, как требует химический смысл задачи.

Частая ошибка

Частая ошибка - умножать массу реагента прямо на 22,4, хотя молярный объем относится к одному молю газа, а не к одному грамму вещества. Вторая ошибка - использовать 22,4 л/моль для газа при 25 °C или другом давлении без оговорки. Третья ошибка - забыть коэффициенты реакции: если 2 моль вещества дают 1 моль газа, количество газа будет в два раза меньше.

Практика

Задачи с решением

Водород из цинка

Условие. Сколько H2 при н.у. выделится из 13 г Zn?

Решение. n(Zn)=13/65=0,2 моль. По реакции n(H2)=0,2 моль. V=0,2*22,4=4,48 л.

Ответ. 4,48 л

CO2 из карбоната

Условие. Сколько CO2 при н.у. получится из 10 г CaCO3?

Решение. n(CaCO3)=10/100=0,1 моль. n(CO2)=0,1 моль. V=2,24 л.

Ответ. 2,24 л

Кислород

Условие. 2 моль KClO3 дают 3 моль O2. Сколько O2 при н.у. из 1 моль KClO3?

Решение. n(O2)=1*3/2=1,5 моль. V=1,5*22,4=33,6 л.

Ответ. 33,6 л

Калькулятор

Посчитать по формуле

Введите значения и нажмите «Рассчитать».

Дополнительные источники

  • OpenStax Chemistry 2e: gas stoichiometry
  • Chemistry LibreTexts: Stoichiometry and gases
  • IUPAC Gold Book: molar volume

Связанные формулы