Как найти концентрацию реагирующих веществ

Как определять исходную концентрацию вещества

Вещества, вступающие в химическую реакцию, претерпевают изменения состава и строения, превращаясь в продукты реакции. Концентрация исходных веществ уменьшается вплоть до нуля, если реакция идет до конца. Но может протекать обратная реакция, когда продукты распадаются на исходные вещества. В таком случае устанавливается равновесие, когда скорость прямой и обратной реакции становится одинаковой. Разумеется, равновесные концентрации веществ будут меньше исходных.

Инструкция

Произошла химическая реакция по схеме: А + 2Б = В. Исходные вещества и продукт реакции – газы. В какой-то момент установилось равновесие, то есть, скорость прямой реакции (А + 2Б = В) сравнялась со скоростью обратной (В = А + 2Б). Известно, что равновесная концентрация вещества А равна 0,12 моль/литр, элемента Б – 0,24 моль/литр, а вещества В – 0,432 моль/литр. Требуется определить исходные концентрации А и Б.

Изучите схему химического взаимодействия. Из нее следует, что один моль продукта (элемента В) образовывался из одного моля вещества А и двух молей вещества Б. Если в одном литре реакционного объема образовывалось 0,432 моля элемента В (по условиям задачи), то, соответственно, одновременно расходовалось 0,432 моля вещества А и 0,864 моля элемента Б.

Вам известны равновесные концентрации исходных веществ: [A] = 0,12 моль/литр, [Б] = 0,24 моль/литр. Прибавив к этим величинам те, которые были израсходованы в ходе реакции, вы получите величины исходных концентраций: [A]0 = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/литр; [Б]0 = 0,24 + 0,864 = 1,104 моль/литр.

Также вы можете определить исходные концентрации веществ с помощью константы равновесия (Кр) – отношения произведений равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Константа равновесия рассчитывается по формуле: Кр = [C]n [D]m /([A]0x[B]0y), где [C] и [D] – равновесные концентрации продуктов реакции С и D; n, m – их коэффициенты. Соответственно, [A]0, [В]0 – равновесные концентрации элементов, вступающих в реакцию; x,y – их коэффициенты.

Зная точную схему протекающей реакции, равновесную концентрацию хотя бы одного продукта и исходного вещества, а также величину константы равновесия, можно записать условия этой задачи в виде системы двух уравнений с двумя неизвестными.

Вычисление концентрации веществ, участвующих в реакции

Задача 18.
Реакция идет по уравнению: 4НСl + О₂ = 2Н₂О + 2Сl₂. Через некоторое время после начала реакции концентрации участвующих в ней веществ стали (моль/л) НСl = 0,85; О₂ = 0,44; Сl₂ = 0,30. Какими были концентрации НСl и О₂ в начале реакции?
Решение: 
Для нахождения исходных концентраций НСl и О₂ учтем, что, согласно уравнению реакции, из 4 молей НСl и 1 моля О₂ образуется по 2 моля Н₂О и Сl₂. Поскольку по условию задачи в каждом литре системы образовалось по 0,3 моля, Н₂О и Сl₂,то при этом было израсходовано 0,6 молей НСl и 0,15 молей О₂. Таким образом, искомые исходные концентрации равны:
[НСl]исх = 0,6 + 0,85 = 1,45 моль/л;
[О₂]исх = 0,15 + 0,44 = 0,59 моль/л.
 

---

Задача 19.
Реакция идет по уравнению N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были [N₂]исх = 0,049 моль/л, [O₂] = 0,01моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент когда [NO] = 0,005 моль/л.
Решение:
[N₂]исх = 0,049 моль/л
[O₂]исх =0,01моль/л
[NO] = 0,005 моль/л
Уравнение реакции имеет вид:

N₂   +    O₂   =    2NO
^{1моль      1моль         2моль}

Из уравнения реакции вытекает, что количество продукта реакции NO превышает в 2 раза количество исходных веществ N₂ и O₂. Отсюда

n(N₂) = n(O₂) = 0,005/2 = 0,0025 моль/л.

c(N₂) = 0,049 – 0,0025 = 0,0465 моль/л;
c(O₂) = 0,01 – 0,0025 = 0,0075 моль/л.

---

Зависимость
скорости реакции от концентрации
реагирующих веществ определяется
законом действия масс (ЗДМ):

Скорость
химической реакции пропорциональна
произведению молярных концентраций
реагирующих веществ в степенях их
стехиометрических коэффициентов.

Так для модельной
реакции:

аА
+ bB
↔ dD
+ qQ

этот
закон выразится уравнениями:

,

где
[A],
[B],
[D],
[Q]
– молярные концентрации веществ, моль/л;

к₁
и к₂
– константы скорости реакции;

a,
b,
d,
q
– стехиометрические коэффициенты.

Константа
скорости (к₁
или к₂)
не зависит от концентрации, но зависит
от природы реагирующих веществ,
температуры, катализатора.

Так,
при [A]
= [B]
= 1моль/л константа скорости к₁
численно
равна скорости реакции:

υ
= к₁

В
этом есть физический смысл константы
скорости.

Например,
для гомогенной системы:

2
NO_(Г)
+ Cl_2(Г)↔2
NOCl_(Г)

скорости
прямой и обратной реакций определяются
выражениями:

.

Для
гетерогеннойсистемы:

2
С_(ТВ)
+ О_2(Г)
↔ 2 СО_(Г)

.

4.2.2. Давление

В
системах, где одно или несколько веществ
являются газами, скорость химической
реакции зависит от внешнего давления.
Например:

Н_2(Г)
+ Cl_2(Г)
↔2HCl_(Г).

Если
увеличить давление на систему в три
раза, то во столько раз уменьшится объем
и, следовательно, во столько же раз
увеличатся концентрации каждого из
реагирующих веществ.

Пример
1. Определите, как и во сколько раз
изменится скорость прямой реакции

2
NO_(Г)
+ О_2(Г)↔2
NO_2(Г),

если объем системы
уменьшить в 3 раза?

Решение.
По ЗДМ скорость прямой реакции будет
иметь вид:

.

Обозначив
[NO] = x, [O₂]
= y, получим:

.

После
уменьшения объема системы, концентрация
веществ увеличится в 3 раза. Тогда:
[NO] = 3x, [O₂]
= 3y.

.

Разделив
наполучим изменение скорости:

.

Скорость
реакции возросла в 27 раз.

Пример
2. В системе

СО_(Г)
+ Cl_2(Г)
↔ СОСl_2(Г)

концентрацию
СО увеличили от 0,3 до 1,2 моль/л, а
концентрацию Cl₂
от 0,5 до 1,45 моль/л. Во сколько раз возросла
скорость реакции?

Решение.
По ЗДМ скорость этой реакции имеет вид:

.

Начальная
скорость (υ₁)
будет равна:

Конечная
скорость (υ₂)
будет равна:

.

Разделив
υ₂ на
υ,₁
получим:

.

Скорость
реакции возросла в 11,6 раз.

Пример
3. Константа скорости реакции

А
+ 2В ↔ 2С

равна
0,65 (л)²моль^-2с^-1.
Начальные концентрации веществ (моль/л):
А=1,5; В=2,5. В результате реакции
концентрация вещества В оказалась
равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова
концентрация вещества А и скорость
реакции.

Решение.
Находим уменьшение концентрации вещества
В.

моль/л.

Так
как А и В взаимодействуют между собой
в отношении 1:2, то концентрация вещества
А уменьшится на
моль/л. Тогда концентрация вещества А
станет равноймоль/л. Скорость реакции в этот момент
будет равна:

.

4.2.3. Температура

Скорость химической
реакции зависит от температуры. По
эмпирическому правилу Вант-Гоффа:

при
повышении температуры на 10^о
скорость большинства химических реакций
возрастает в 2-4 раза.

Математически эта
зависимость выражается соотношением:

,

где

скорости реакций при температурах t₁
и t₂;

γ

температурный коэффициент скорости,
равный 2 
4;

число
десятков градусов.

В
соответствии с определением скорость
реакции обратно пропорциональна времени
реакции, следовательно:

,

где
и– время протекания реакции при температурахи.

Пример
4. Реакция при температуре 50⁰С
протекает за 2мин 15с. За сколько времени
закончится эта реакция при температуре
70⁰С,
если температурный коэффициент скорости
реакции равен 3?

Решение.

В соответствии с
правилом Вант-Гоффа определяем возрастание
скорости:

,

т.е., скорость
увеличится в 9 раз.

По
определению скорость реакции обратно
пропорциональна времени реакции,
следовательно:

,
где
и– время протекания реакции при температурахи.

Отсюда:

.

Соседние файлы в папке Химия

• #
• #

В реальности, химики редко работают с чистыми веществами. В большинстве своем для работы, при проведении химических реакций, расчетов по ним используются различные растворы.

Раство́р — гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия

Подробнее о процессе растворения мы поговорим в следующих статьях.

При решении расчетных задач нам нудно уметь находить количество чистого вещества, находящегося в растворе. Это необходимо затем, что, как правило, в химическое взаимодействие вступает вещество, а не дополнительные продукты, которое оно содержит: примеси, если это не чистое вещество, компоненты растворителя, или инертные для данного химического процесса компоненты смеси (если это смесь веществ).

Если мы работаем с 500 граммами раствора, в котором всего 10 грамм чистого вещества, то в расчеты мы берем 10 грамм, а не 500! – пример, почему необходимо уметь вычислять количественные характеристики чистого вещества.

Способы выражения концентрации растворов

Существуют различные способы выражения концентраций растворов. В задачах могут встретиться любые из них. Рассмотрим основные из них более подробно.

I. Массовая доля вещества

Массовая доля – отношение массы чистого вещества к массе всего раствора. Данная величина безразмерная (говорят доля от единицы, всегда меньше 1, или равна единице для чистого вещества), или выражается в %.

Очень часто можно встретить запись запись, например NaOH, 15% – это значит, что из всей массы раствора на долю гидроксида натрия (NaOH) приходится только 15 %.

Следует не забывать, что масса раствора = масса растворителя + масса чистого вещества.

Зная массовую долю вещества, нетрудно выразить формулу для расчета массы чистого вещества:

В некоторых задачах масса раствора может быть не дана в условии. В этом случае мы сами можем её задать. Как правило в таких случаях, мы задаём массу раствора как 100 г. Дальнейший расчет ведется уже исходя из заданной массы (если требуется перевести одну концентрацию в другую).

Приведем примеры задач:

Мы специально делаем подробное решение, чтобы отследить ход мыслей.

Решим аналогичную задачу:

Более часто встречаются задачи, в которых требуется приготовить раствор из другого раствора путем добавления чистого вещества (в этом случае концентрация увеличится), растворителя (концентрация уменьшится) или другого раствора (концентрация займёт промежуточное значение).

Рассчитайте массу соли, которую необходимо добавить к 150 г 10% -го раствора, чтобы концентрация полученного раствора стала 15%?

Данную задачу можно решать различными способами. В настоящий момент приведем только один (более длинный, но более понятный). Для решения таких задач другим способом мы подготовим видео.

Задачи, в которых добавляется растворитель – решаются проще.

Какое количество воды необходимо добавить к 200 г 15%-го раствора, чтобы его концентрация стала 10%?

Для решения задач, в которых смешиваются два раствора, имеющих различные концентрации, можно использовать следующий алгоритм:

1. Рассчитать количество чистого вещества в обоих растворах и сложить их.

2. Поделить полученное число на сумму масс растворов. Домножить на 100 %.

Решим для примера следующую задачу

Смешали 200 г 10%-го раствора серной кислоты и 100 г 20-% го. Какая массовая доля стала у получившегося раствора?

II. Молярная концентрация вещества

Молярная концентрация вещества – отношение количества вещества к объему раствора. Данная величина показывает нам, сколько (моль) вещества растворено в 1 литре раствора. Единица измерения – моль/л.

Обозначается молярная концентрация заглавной буквой C

В химической лаборатории очень часто для обозначения концентрации используется именно данная величина.

Очень часто, на химических склянках можно увидеть следующие обозначения:

Таким способом также обозначается молярная концентрация. Число перед буквой М обозначает концентрацию: 1 моль/л; 0,1 моль/л; 0,02 моль/л; 3 моль/л; 0,5 моль/л.

Можно также встретить в задачах такое обозначение, связанное с данной формой записи: молярный раствор (1 М) – раствор, концентрация которого составляет 1 моль/л. Децимолярный раствор (0,1 М) – 0,1 моль/л; сантимолярный раствор (0,01 М) – 0,01 моль/л.

Решим некоторые задачи, в которых используется молярная концентрация:

Для приготовления раствора сульфата натрия навеску, содержащую 14,2 г соли растворили в 500 мл воды и довели до метки.

Доведение до метки обозначает, что объем приготовленного раствора составляет (в данном случае) 500 мл.

Часто требуется рассчитать количество вещества:

Прежде чем проводить расчет по уравнению химических реакций, необходимо найти количество вещества.

III. Моляльная концентрация

Моляльная концентрация – отношение количества (моль) растворенного вещества к массе растворителя. Данная концентрация показывает нам, сколько моль вещества необходимо добавить к 1 кг растворителя (воды, например), чтобы получить нужную концентрации. Обозначается данная концентрация См, а измеряется в моль/кг(растворителя).

IV. Мольная доля

Мольная доля – отношение количества вещества к сумме количеств всех компонентов раствора. Данная физическая величина не имеет размерности.

Сумма всех мольных долей раствора равна “1”.

Данная физическая величина нашла широкое применение в химической химии для описания равновесных термодинамических процессов.

V. Титр

Титр – отношение массы вещества к единице объема (выраженного в миллилитрах). Титр показывает, сколько грамм вещества находится в каждом миллилитре раствора. обозначается как “Т” и измеряется в г/мл.

Титр – очень маленькая величина, так как в в 1 миллилитре раствора может находиться незначительное количество вещества.

Титр нашел широкое применение в аналитической химии.

В заключении

По данной теме существует огромное количество расчетных задач. Многие из них мы рассмотрим в следующих статьях. О пока…

Проверьте, как Вы усвоили материал.

Задание №1. Перейдите к гугл-форме и ответьте на вопросы (базовый уровень):

https://forms.gle/7u32uLfxRk1Yug7a8

Задание №2. Решите расчетные задачи: https://vk.com/page-205267346_56951920 (повышенный уровень)

Задание №3. Решите следующую задачу:

Какова молярная концентрация 12%-ного раствора серной кислоты (H2S04) с плотностью р = 1,08 г/см3. Рассчитайте титр данного вещества, моляльную концентрацию, мольную долю.

Отчет о решении задач пришли в беседу “Учебный класс”:

https://vk.me/join/DKsyQe2p0hJ2Wdoch1XOTwi_qZEJow1udOM=