решение задач по химии практической напрвленности
материал по химии (9 класс) по теме

Решение типовых задач по химии

"Не для муки, а для науки."
(Народная мудрость) 

Расчеты по уравнениям химических реакций

Классификация химических реакций. Реакции соединения, разложения, замещения, двойного обмена, окислительно-восстановительные реакции. Уравнения химических реакций. Подбор стехиометрических коэффициентов в уравнениях реакций. Расчеты по уравнениям реакций. Определение количества вещества и массы реагентов и продуктов. Определение объема газообразных реагентов и продуктов. Теоретический и практический выход продукта реакции. Степень чистоты химических веществ.

Примеры решения типовых задач

Задача 1. При рентгеноскопическом исследовании организма человека применяют так называемые рентгеноконтрастные вещества. Так, перед просвечиванием желудка пациенту дают выпить суспензию труднорастворимого сульфата бария, не пропускающего рентгеновское излучение. Какие количества оксида бария и серной кислоты потребуются для получения 100 сульфата бария?

Решение. Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

BaO + H2SO4 = BaSO4 + H2O

m(BaSO4) = 100 г; M(BaSO4) = 233 г/моль

n(BaO) = ?

n(H2SO4) = ?

В соответствии с коэффициентами уравнения реакции, которые в нашем случае все равны 1, для получения заданного количества BaSO4 требуются:

n(BaO) = n(BaSO4) = m(BaSO4) / M(BaSO4) = 100 : 233

[г : (г/моль)] = 0,43 моль

n(H2SO4) = n(BaSO4) = m(BaSO4) / M(BaSO4) = 100 : 233

[г : (г/моль)] = 0,43 моль

Ответ. Для получения 100 г сульфата бария требуются 0,43 моль оксида бария и 0,43 моль серной кислоты.

Задача 2. Прежде чем вылить в канализацию жидкие отходы лабораторных работ, содержащие соляную кислоту, полагается их нейтрализовать щелочью (например, гидроксидом натрия) или содой (карбонатом натрия). Определите массы NaOH и Na2CO3, необходимые для нейтрализации отходов, содержащих 0,45 моль HCl. Какой объем газа (при н.у.) выделится при нейтрализации указанного количества отходов содой?

Решение. Запишем уравнения реакций и условия задачи в формульном виде:

(1) HCl + NaOH = NaCl + H2O

(2) 2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2 

n(HCl) = 0,45 моль; M(NaOH) = 40 г/моль;

M(Na2CO3) = 106 г/моль; VM = 22,4 л/моль (н.у.)

n(NaOH) = ? m(NaOH) = ?

n(Na2CO3) = ? m(Na2CO3) = ?

V(CO2) = ? (н.у.)

Для нейтрализации заданного количества HCl в соответствии с уравнениями реакций (1) и (2) требуется:

n(NaOH) = n(HCl) = 0,45 моль;

m(NaOH) = n(NaOH) . M(NaOH) = 0,45 . 40

[моль . г/моль] = 18 г

n(Na2CO3) = n(HCl) / 2 = 0,45 : 2 [моль] = 0,225 моль;

m(Na2CO3) = n(Na2CO3) / M(Na2CO3) = 0,225 . 106

[моль . г/моль] = 23,85 г

Для расчета объема углекислого газа, выделившегося при нейтрализации по реакции (2), дополнительно используется уравнение, связывающие между собой количество газообразного вещества, его объем и молярный объем:

n(CO2) = n(HCl) / 2 = 0,45 : 2 [моль] = 0,225 моль;

V(CO2) = n(CO2) . VM = 0,225 . 22,4 [моль . л/моль] = 5,04 л

Ответ. 18 г NaOH; 23,85 г Na2CO3; 5,04 л CO2 

Задача 3. Антуан-Лоран Лавуазье открыл природу горения различных веществ в кислороде после своего знаменитого двенадцатидневного опыта. В этом опыте он сначала длительное время нагревал в запаянной реторте навеску ртути, а позже (и при более высокой температуре) - образовавшийся на первом этапе опыта оксид ртути(II). При этом выделялся кислород, и Лавуазье стал вместе с Джозефом Пристли и Карлом Шееле первооткрывателем этого важнейшего химического элемента. Рассчитайте количество и объем кислорода (при н.у.), собранный при разложении 108,5 г HgO.

Решение. Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

2HgO = 2Hg + O2 

m(HgO) = 108,5 г; M(HgO) = 217 г/моль

VM = 22,4 л/моль (н.у.)

V(O2) = ? (н.у.)

Количество кислорода n(O2), который выделяется при разложении оксида ртути(II), составляет:

n(O2) = 1/2 n(HgO) = 1/2 m(HgO) / M(HgO) = 108,5 / (217 . 2}

[г : (г/моль)] = 0,25 моль,

а его объем при н.у. - V(O2) = n(O2) . VM = 0,25 . 22,4

[моль . л/моль] = 5,6 л

Ответ. 0,25 моль, или 5,6 л (при н.у.) кислорода.

Задача 4. Важнейшая проблема в промышленном производстве удобрений - получение так называемого "связанного азота". В настоящее время ее решают путем синтеза аммиака из азота и водорода. Какой объем аммиака (при н.у.) можно получить в этом процессе, если объем исходного водорода равен 300 л, а практический выход (z) - 43 %?

Решение. Запишем уравнение реакции и условие задачи в формульном виде:

N2 + 3H2 = 2NH3 

V(H2) = 300 л; z(NH3) = 43% = 0,43

V(NH3) = ? (н.у.)

Объем аммиака V(NH3), который можно получить в соответствии с условием задачи, составляет:

V(NH3)практ = V(NH3)теор . z(NH3) = 2/3 . V(H2) . z(NH3) =

= 2/3 . 300 . 0,45 [л] = 86 л

Ответ. 86 л (при н.у.) аммиака.

3.1. Оконные стекла и дверцы вытяжных шкафов в химической лаборатории часто бывают покрыты белым налетом, состоящим из кристаллов хлорида аммония. Причина этого явления - постоянное присутствие в воздухе лабораторий аммиака и хлороводорода. Рассчитайте количество и объем (при н.у.) этих газов, если образовалось 5 г хлорида аммония.

3.2. Природный газ содержит главным образом метан CH4, но в нем присутствуют и примеси, например, ядовитый сероводород H2S - до 50 г на 1 кг метана. Чтобы удалить примесь сероводорода, можно провести его окисление перманганатом калия в кислой среде до серы. Рассчитайте количество серы, которую можно таким образом выделить из 1 т природного газа. Определите также, какая масса серной кислоты может быть получена, если всю выделенную серу направить в цех производства H2SO4.

3.3. Толщи известняка на земной поверхности и под землей медленно "размываются" под действием почвенных вод, где растворен диоксид углерода. Какую массу карбоната кальция CaCO3 может перевести в растворимый гидрокарбонат кальция состава Ca(HCO3)2 вода, в которой растворено 10 моль CO2? Практический выход для реакции химического растворения считайте равным 90%.

3.4. Предельно допустимая среднесуточная концентрация монооксида углерода в воздухе составляет 3,0 мг/м3. Простейший газоанализатор, позволяющий определить наличие в воздухе ядовитой примеси СО, содержит белый порошок оксида иода(V), нанесенный на пемзу и помещенный в стеклянную трубочку. При взаимодействии I2O5 c CO идет окислительно-восстановительная реакция с выделением иода, который окрашивает содержимое трубочки в черный цвет. Какое количество монооксида углерода вызовет выделение 0,1 г иода в трубке газоанализатора? Какой объем воздуха (при н.у.), содержащего 3,0 мг/м3 CO, надо будет пропустить через трубку, чтобы в ней выделилось 0,1 г иода?

3.5. Коррозия железа на воздухе в присутствии большого количества воды приводит к образованию метагидроксида железа состава FeO(OH). Рассчитайте, какая масса железа подверглась коррозии, если количество полученного в результате этого процесса FeO(OH) составило 11,5 моль. Определите также объем (при н.у.) кислорода, участвовавшего в реакции.

3.6. При выпечке печенья в качестве разрыхлителя теста используют пищевую соду (гидрокарбонат натрия) с добавкой уксусной кислоты. Эта смесь при нагревании разлагается, выделяя углекислый газ. Рассчитайте объем (при н.у.) CO2, который выделится при использовании 1 чайной ложки (5 г) NaHCO3 и избытка CH3COOH.

3.7. Взаимодействие минерала магнетита (оксида железа состава Fe3O4) с монооксидом углерода CO приводит к получению железа и выделению углекислого газа CO2. В результате реакции было выделено 65,3 кг железа. Рассчитайте практический выход железа, если масса исходного магнетита составляла 110 кг. Определите объем (при н.у.) полученного газа.

3.8. Жженую известь, применяемую в строительстве, получают прокаливанием известняка. Определите массовую долю основного вещества (карбоната кальция) в известняке, если прокаливание его образца массой 5,0 кг привело к выделению 1,0 м3 углекислого газа (при н.у.).

3.9. Карл-Вильгельм Шееле в 1774 году получил кислород термическим разложением перманганата калия KMnO4. Помимо кислорода, при этом получаются оксид марганца(IV) и манганат калия K2MnO4. Кислород, выделенный при разложении 33,5 г перманганата калия, использовали для сжигания серы и при этом получили 2,1 л (при н.у.) диоксида серы SO2. Определите практический выход кислорода при разложении перманганата калия. Рассчитайте массу серы, затраченной на сжигание.

3.10. Разбитый термометр, в котором было 20,5 г ртути, выбросили в пруд. Прошло 4 месяца, и вследствие сложных биохимических процессов около 5% этого опасного металла перешло в раствор в виде солей ртути(II) типа нитрата ртути(II) Hg(NO3)2. Определите количество и массу катионов ртути(II) в пруду. Определите, представляет ли опасность прудовая вода, если объем воды в пруду 80 м3, а санитарная норма предусматривает содержание не более чем 0,01 г Hg2+ в 1 м3.

3.11. Для обеззараживания воды ее часто хлорируют. При этом неизбежна утечка ядовитого газа в атмосферу. Чтобы удалить хлор из вентиляционного воздуха, используют "антихлор" - увлажненный сульфит натрия Na2SO3. Какая масса сульфита натрия потребуется для поглощения всего хлора из 5000 м3 воздуха, если содержание в нем Cl2 в 10 раз превышает среднесуточное предельно допустимое и составляет 0,3 мг/м3?

3.12. Рассчитайте объем (при н.у.) хлора, который идет на обеззараживание 10 м3 воды, если на каждый литр воды расходуется 0,002 мг хлора. Напишите уравнение реакции взаимодействия хлора с водой и поясните, на чем основано его обеззараживающее действие.

3.13. При сильных отравлениях белым фосфором пострадавшему назначают прием очень разбавленного раствора сульфата меди(II). Процессы, протекающие в организме больного, сводятся к окислительно-восстановительной реакции фосфора с катионами меди(II) с выделением металлической меди и образованием относительно безвредных количеств ортофосфорной и серной кислоты. Какое количество и массу сульфата меди(II) должен получить пострадавший для полного окисления 0,1 мг фосфора, если считать выход этого процесса 100%-ным?

3.14. Пролитую ртуть можно собрать с помощью медной проволоки, алюминиевой фольги и даже листом бумаги, но во всех этих случаях собранную ртуть нужно обезвредить (например, обработать концентрированной азотной кислотой). Какое количество HNO3 потребуется для обезвреживания 19,5 г ртути, собранной на полу после того, как в доме был разбит термометр? Каков объем выделяющегося при этом газа (при н.у.)? Если ртуть была собрана не полностью, рекомендуют обработать трещины и щели пола и другие "подозрительные" места в комнате порошком серы. Напишите уравнение реакции, протекающей с участием ртути и серы.

3.15. Оксид диазота ("веселящий газ"), обладающий слабонаркотическим действием был открыт английским химиком Гемфри Дэви в начале XIX века. Для получения N2O Дэви использовал реакцию термического разложения нитрата аммония. При этом, помимо основных продуктов разложения, образуются и другие газы (например, NO и NO2). Рассчитайте практический выход оксида диазота, если масса нитрата аммония была равна 11,5 г, а объем полученного N2O - 2,1 л (при н.у.).

3.16. Установлено, что для очистки газовых выбросов от диоксида азота применяется карбонат натрия, который при взаимодействии с NO2 дает нитрат натрия, нитрит натрия и углекислый газ. Рассчитайте массу карбоната натрия, который обезвреживает выбросы, содержащие 5 л диоксида азота (при н.у.).

3.17. Органические вещества растений образуются из углекислого газа, присутствующего в воздухе, и воды, поступающей из почвы. В зеленых листьях растений эти неорганические вещества превращаются в органическое вещество глюкозу C6H12O6. Этот процесс сопровождается выделением кислорода. Рассчитайте, какой объем кислорода (при н.у.) выделяется в атмосферу зелеными растениями при образовании 1 кг глюкозы.

3.18. Сжигая органическое топливо, человечество ежегодно отправляет в атмосферу 12 млн. т оксида азота(II) NO. Какую массу азотной кислоты можно было бы получить из всего этого количества NO при условии, что практический выход составит 80%?

3.19. Каждый автомобиль расходует в год примерно 4 т кислорода. Какую массу оксида ртути(II) HgO следует подвергнуть разложению с выделением кислорода, чтобы обеспечить годовую потребность одного автомобиля?

3.20. Известно, что сероводород, циркулируя в биосфере, может окисляться под действием аэробных бактерий до свободной серы. Именно это, как полагают геохимики, было причиной возникновения залежей самородной серы. Рассчитайте, какой объем (при н.у.) сероводорода был поглощен и переработан бактериями, если образовалось 450 т серы.

Ответы

3.1. 0,093 моль (2,09 л) NH3 и 0,093 моль (2,09 л) HCl

3.2. 50 кг серы и 153 кг H2SO4

3.3. 900 г CaCO3

3.4. 0,0020 моль CO; 18 м3 воздуха

3.5. 644 г железа,193,2 л O2

3.6. 1,33 л CO2

3.7. Практический выход 82%

3.8. 0,893, или 89,3% карбоната кальция в известняке

3.9. Практический выход 88,4%, масса серы 3,0 г

3.10. 0,051 моль (1,025 г) Hg2+; вода опасна для здоровья, так как в ней содержится 0,013 г/м3 Hg2+ (выше нормы)

3.11. 2,66 г Na2SO3

3.12. 6,3 мл Cl2

3.13. 8,01 . 10--6 моль; 1,29 мг CuSO4

3.14. 0,39 моль HNO3; 4,35 л NO2

3.15. Практический выход 65,2%

3.16. 11,8 кг Na2CO3

3.17. 746,7 л кислорода

3.18. 20,2 млн.т азотной кислоты

3.19. 54,1 т HgO

3.20. 315000 м3 H2S (при н.у.)