Закон взаимодействующих масс, уравнения параллельных реакций, расчет выхода продукта по

Учебниковая опора

• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 53–55
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 1, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 59–62
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 29, 30
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 229, 231, 233, 242
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 195, 228, 231, 232, 233, 251
• Википедия, «Закон действующих масс», https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_действующих_масс
• Chemistry LibreTexts, «Rate Laws», https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Chemistry_1e_(OpenSTAX)/12%3A_Kinetics/12.3%3A_Rate_Laws
• Википедия, «Законы электролиза Фарадея», https://ru.wikipedia.org/wiki/Законы_электролиза_Фарадея

Главное

• Любой расчёт: уравнение → количества вещества $n$ → сравнение с коэффициентами → ответ.
• Избыток/недостаток: считают по недостатку.
• Выход: $\eta = m_{практ}/m_{теор} \cdot 100\%$ (для газов — по объёму).
• Параллельные реакции: для каждого компонента смеси своё уравнение и система по массе/объёму.
• Последовательные реакции: переход по цепочке через ключевой элемент; выходы стадий перемножаются.
• Олеум: $SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$, 80 г $SO_3$ → 98 г кислоты.

Теория и алгоритмы

Базовые формулы: $n = m/M$; $n = V/22{,}4$ (н. у.); $n = c \cdot V$; $M = D_{H_2} \cdot 2 = D_{возд} \cdot 29$.

1. Избыток и недостаток. Найти $n$ каждого реагента, сравнить с коэффициентами; вещество, которого не хватает, — в недостатке, по нему считают продукт.

2. Выход продукта. Сначала теоретическая величина по уравнению, затем умножение на $\eta$ (или деление практической на теоретическую).

3. Кинетика. Средняя скорость $v = -\Delta c/\Delta t$ (моль/(л·с)); при повышении температуры на 10 °C скорость растёт в 2–4 раза, то есть в $\gamma^{\Delta t/10}$ раз.

4. Параллельные реакции и смеси.

1. Обозначить $x$, $y$ моль компонентов.
2. Записать отдельное уравнение для каждого.
3. Составить систему по суммарной массе и по количеству продукта.
4. Решить, найти массы/доли. Если один компонент не реагирует (Cu с HCl, CO с известью), задача решается без системы.

5. Последовательные реакции. $S \to SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4$: по сере $n(H_2SO_4) = n(S)$. Общий выход трёх стадий по 80 %: $0{,}8^3 = 51{,}2\%$.

6. Олеум — раствор $SO_3$ в конц. $H_2SO_4$. При разбавлении каждый моль $SO_3$ присоединяет 18 г воды. Проверка — баланс по сере.

7. Электролиз (по уравнению). Расплав: $2NaCl \to 2Na + Cl_2$; $2Al_2O_3 \to 4Al + 3O_2$. Раствор: $2CuSO_4 + 2H_2O \to 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$; $CuCl_2 \to Cu + Cl_2$. Мольные отношения берут из коэффициентов.

8. Замещение в растворе. Металл левее вытесняет металл правее: $Fe + CuSO_4 = FeSO_4 + Cu$.

Расчётные формулы. Закон действующих масс: $v = k[A]^a[B]^b$ (для элементарной реакции показатели равны коэффициентам). Закон Фарадея: $m = \dfrac{M I t}{n F}$, $F \approx 96\,485$ Кл/моль. Пример: при токе 2 А за 9650 с заряд $Q = 19\,300$ Кл, $n(e^-) = 0{,}2$ моль; из раствора $CuSO_4$ выделится $0{,}1$ моль Cu, то есть $6{,}4$ г.

Примеры

1. Избыток. 16 г NaOH + 48 г $CuSO_4$. $n(NaOH) = 0{,}4$, $n(CuSO_4) = 0{,}3$; на 0,4 моль NaOH нужно 0,2 моль соли — соль в избытке. $n(Cu(OH)_2) = 0{,}2$ моль, $m = 19{,}6$ г.
2. Выход. 60 г Mg с разб. $H_2SO_4$, $\eta = 95\%$. $n = 2{,}5$ моль, $V_{теор} = 56$ л, $V_{практ} = 53{,}2$ л.
3. Выход по газу. 16,8 л пара с раскалённым железом дали 12 л $H_2$: $3Fe + 4H_2O = Fe_3O_4 + 4H_2$; $V_{теор} = 16{,}8$ л, $\eta = 12/16{,}8 \approx 71\%$.
4. Смесь газов. 20 л смеси CO и $CO_2$ пропустили над известью, объём стал 12 л. $CO_2$ поглотился ($CO_2 + CaO = CaCO_3$): 8 л (40 %), CO — 12 л (60 %).
5. Цепочка. Из 64 г серы: $n = 2$ моль → 196 г $H_2SO_4$; при выходе 80 % на стадии окисления — 156,8 г.
6. Олеум. 100 г 20 %-го олеума разбавили водой. $SO_3$ 20 г (0,25 моль) → 24,5 г кислоты; плюс готовые 80 г → 104,5 г $H_2SO_4$.
7. Сколько $SO_3$ добавить к 200 г 90 %-й $H_2SO_4$ до 100 %? Воды 20 г = 1,111 моль → $SO_3$ 1,111 моль = 88,9 г.
8. Электролиз. Сколько литров $Cl_2$ (н. у.) выделится при электролизе расплава 11,7 г NaCl? $n(NaCl) = 0{,}2$ моль → $n(Cl_2) = 0{,}1$ моль = 2,24 л.
9. Кинетика. $\gamma = 3$, нагрев с 20 до 50 °C: скорость растёт в $3^3 = 27$ раз.
10. Замещение с избытком. 2,7 г Al и 0,05 моль $CuSO_4$: $2Al + 3CuSO_4 \to Al_2(SO_4)_3 + 3Cu$; Al нужно 0,033 моль из 0,1 — в избытке; $m(Cu) = 0{,}05 \cdot 64 = 3{,}2$ г.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считают продукт по веществу в избытке.
• Умножают на выход дважды или делят вместо умножения (выход всегда ≤ 100 %).
• В задачах на олеум забывают «готовую» кислоту в составе олеума.
• В смесях заставляют реагировать неактивный компонент (Cu с HCl, CO с CaO).
• При электролизе раствора $CuSO_4$ ищут на аноде $SO_2$ вместо $O_2$.

Самопроверка

1. По какому веществу ведут расчёт при избытке одного из реагентов? — По недостатку.
2. Чему равен общий выход двух стадий по 90 %? — 81 %.
3. Сколько граммов $H_2SO_4$ даёт 1 моль $SO_3$? — 98 г.
4. Во сколько раз вырастет скорость при $\gamma = 2$ и нагреве на 40 °C? — В 16 раз.
5. Сколько моль Al получится при электролизе 1 моль $Al_2O_3$? — 2 моль.