Химия / Стехиометрия
Расчет по химическому уравнению через коэффициенты
В сбалансированном уравнении реакции количества веществ относятся как стехиометрические коэффициенты. Это основа расчетов массы, объема и количества вещества реагентов и продуктов.
Формула
В уравнении aA + bB -> cC коэффициенты a, b и c задают отношение количеств вещества A, B и C.
Сначала моли по коэффициентам, затем перевод в граммы или литры.
Обозначения
- $n(A), n(B)$
- количества веществ A и B, моль
- $\nu(A), \nu(B)$
- стехиометрические коэффициенты перед веществами A и B
Условия применения
- Уравнение реакции должно быть правильно уравнено.
- Коэффициенты относятся к количествам вещества, а не напрямую к массам.
- Расчет выполняется для веществ, участвующих в одной и той же реакции.
Ограничения
- Если один реагент взят в избытке, количество продукта определяет недостаточный реагент.
- Формула не учитывает выход продукта меньше 100%, если это отдельно указано в задаче.
- Нельзя использовать коэффициенты для граммов без перехода через количество вещества.
Подробное объяснение
Химическое уравнение показывает не только, какие вещества реагируют, но и в каких количественных отношениях они это делают. Коэффициенты перед формулами обозначают отношение количеств вещества. Поэтому после уравнивания реакции можно составлять пропорции между молями реагентов и продуктов.
Формула n(A) / nu(A) = n(B) / nu(B) говорит, что если разделить количество вещества каждого участника на его коэффициент, получится одна и та же реакционная мера. Это удобно: известное количество одного вещества масштабирует все остальные по коэффициентам.
Практический алгоритм обычно состоит из трех этапов. Сначала переводят данную массу или объем в моли. Затем по коэффициентам находят моли искомого вещества. В конце переводят найденные моли в ту величину, которую просит задача: массу, объем газа или число частиц.
Если в условии указаны два реагента, нужно проверить, какой из них ограничивает реакцию.
Как пользоваться формулой
- Запишите и уравняйте химическое уравнение.
- Переведите данную величину в количество вещества, если она дана в граммах или литрах.
- Составьте отношение количеств вещества по коэффициентам.
- Найдите количество вещества искомого участника реакции.
- Переведите ответ в требуемые единицы и проверьте смысл результата.
Историческая справка
Стехиометрические расчеты выросли из наблюдений, что вещества вступают в реакции в определенных массовых отношениях. После развития атомно-молекулярных представлений стало ясно, что коэффициенты уравнений отражают сохранение атомов и отношение частиц. В школьной химии расчет по уравнению является центральным навыком, потому что связывает формулы веществ, закон сохранения массы, количество вещества и практические величины. Исторически это один из переходов химии от описания опытов к количественной науке, где результат реакции можно заранее рассчитать. Поэтому уравнение реакции стало не только записью превращения, но и расчетной моделью процесса.
Историческая линия формулы
У общей формулы стехиометрического отношения нет одного автора. Она следует из уравнивания реакций, закона сохранения массы и атомно-молекулярной модели вещества. Исторически корректнее связывать ее с развитием количественной химии и стехиометрии.
Пример
Рассмотрим реакцию 2H2 + O2 -> 2H2O. Если известно, что прореагировало 3 моль O2, найдем количество воды. По уравнению 1 моль O2 дает 2 моль H2O. Значит, n(H2O) / 2 = n(O2) / 1, откуда n(H2O) = 2 * 3 = 6 моль. Если нужна масса воды, делаем следующий шаг: M(H2O) = 18 г/моль, m = nM = 6 * 18 = 108 г. Коэффициенты дали отношение молей, а не готовую массу. Если бы спрашивали расход водорода, по коэффициентам на 1 моль O2 нужно 2 моль H2, значит для 3 моль O2 потребуется 6 моль H2. Проверка атомов показывает баланс: кислород и водород не исчезают.
Частая ошибка
Главная ошибка - считать, что коэффициенты в уравнении показывают отношение масс. В реакции 2H2 + O2 -> 2H2O отношение молей водорода, кислорода и воды равно 2:1:2, но массы считаются через молярные массы. Еще ошибка - выполнять расчет по неуравненному уравнению. Если коэффициенты неверны, весь дальнейший расчет будет неверным, даже если арифметика выполнена аккуратно.
Практика
Задачи с решением
Найти количество продукта
Условие. По реакции N2 + 3H2 -> 2NH3 найдите количество NH3, если прореагировало 4 моль N2.
Решение. По уравнению 1 моль N2 дает 2 моль NH3. Значит, из 4 моль N2 получится 4 * 2 = 8 моль NH3.
Ответ. 8 моль NH3
Перейти от массы к продукту
Условие. Сколько граммов CO2 получится при полном сгорании 16 г CH4 по уравнению CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O?
Решение. M(CH4) = 16 г/моль, значит n(CH4) = 16 / 16 = 1 моль. По коэффициентам 1 моль CH4 дает 1 моль CO2. M(CO2) = 44 г/моль, поэтому m(CO2) = 1 * 44 = 44 г.
Ответ. 44 г CO2
Дополнительные источники
- Химия 8-9 классов: уравнения реакций и стехиометрические расчеты
- Кодификатор проверяемых требований ОГЭ по химии: расчеты по химическим уравнениям
Связанные формулы
Химия
Количество вещества через массу и молярную массу
Количество вещества показывает, сколько молей вещества содержится в образце. Если известны масса вещества и его молярная масса, количество вещества находят делением массы на молярную массу.
Химия
Молярная масса вещества
Молярная масса показывает массу одного моля вещества. Если известны масса образца и количество вещества, молярную массу находят делением массы на количество вещества.
Химия
Объем газа через количество вещества
Объем газа равен количеству вещества газа, умноженному на молярный объем. В школьных задачах при нормальных условиях часто используют Vm = 22,4 л/моль.