6.4: Масові відносини та хімічні рівняння
- Page ID
- 21747
- Для перетворення з маси або молі однієї речовини в масу або молі іншої речовини в хімічній реакції.
Встановлено, що збалансоване хімічне рівняння збалансоване як за молями, так і атомами або молекулами. Ми використовували збалансовані рівняння для встановлення співвідношень, тепер з точки зору молів матеріалів, які ми можемо використовувати як коефіцієнти перетворення для відповіді на стехіометричні запитання, наприклад, скільки молей речовини А реагують з такою кількістю молів реагенту Б. ми можемо розширити цю техніку ще далі. Нагадаємо, що молярну кількість ми можемо співвідносити з масовою кількістю, використовуючи молярну масу. Ми можемо використовувати цю здатність відповідати на питання стехіометрії з точки зору маси певної речовини, крім родимок. Робимо це, використовуючи наступну послідовність:
У сукупності ці перетворення називаються розрахунками моль-маси.
Як приклад розглянемо збалансоване хімічне рівняння
\[\ce{Fe_2O_3 + 3SO_3 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3} \nonumber \nonumber \]
Якщо у нас 3,59 моль Fe 2 O 3, скільки грамів SO 3 може з ним реагувати? Використовуючи послідовність розрахунку моль-маси, ми можемо визначити необхідну масу СО 3 в два етапи. Спочатку побудуємо відповідне молярне співвідношення, визначене з збалансованого хімічного рівняння, для обчислення необхідної кількості молів SO 3. Потім, використовуючи молярну масу SO 3 як коефіцієнт перетворення, визначаємо масу, яку має це число молів SO 3.
Перший крок нагадує вправи, які ми робили в розділі 6.4. Як завжди, починаємо з кількості, яку нам дали:
\[\mathrm{3.59\: mol\: Fe_2O_3\times\dfrac{3\: mol\: SO_3}{1\: mol\: Fe_2O_3}=10.77\: mol\: SO_3} \nonumber \nonumber \]
Моль Fe 2 O 3 одиниці скасовують, залишаючи моль SO 3 одиниці. Тепер ми беремо цю відповідь і перетворюємо її в грами SO 3, використовуючи молярну масу SO 3 як коефіцієнт перетворення:
\[\mathrm{10.77\: mol\: SO_3\times\dfrac{80.07\: g\: SO_3}{1\: mol\: SO_3}=862.4\: g\: SO_3} \nonumber \nonumber \]
Наша остаточна відповідь виражена трьома значущими цифрами. Таким чином, в двоетапному процесі ми виявимо, що 862 г SO 3 вступить в реакцію з 3,59 моль Fe 2 O 3. На багато проблем такого типу можна відповісти таким чином.
Та ж двоетапна задача також може бути відпрацьована в одному рядку, а не у вигляді двох окремих кроків, наступним чином:
Ми отримуємо точно таку ж відповідь, поєднуючи всі математичні кроки разом, як ми робимо, коли обчислюємо один крок за раз.
Скільки грамів СО 2 виробляється, якщо 2,09 моль HCl реагують відповідно до цього збалансованого хімічного рівняння?
\[\ce{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + CO_2 + H_2O} \nonumber \]
Рішення
Наша стратегія полягатиме в перетворенні з молів HCl в молі СО 2, а потім з молів СО 2 в грами СО 2. Нам знадобиться молярна маса СО 2, яка становить 44.01 г/моль. Виконання цих двох перетворень в одному рядку дає 46,0 г СО 2:
Молярне співвідношення між CO 2 і HCl походить від збалансованого хімічного рівняння.
Скільки грамів глюкози (C 6 H 12 O 6) виробляється, якщо 17,3 моль Н 2 О реагують відповідно до цього збалансованого хімічного рівняння?
\[\ce{6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber \]
- Відповідь
-
\(\mathrm{17.3\: mol\: H_2O\times\dfrac{1\: mol\: C_6H_{12}O_6}{6\: mol\: H_2O}\times\dfrac{180.18\: g\: C_6H_{12}O_6}{1\: mol\: C_6H_{12}O_6}=520\: g\: C_6H_{12}O_6}\)
Це невеликий крок від розрахунків моль-маси до масово-масових розрахунків. Якщо почати з відомої маси однієї речовини в хімічній реакції (замість відомого числа молів), то можна обчислити відповідні маси інших речовин в реакції. Першим кроком в цьому випадку є перетворення відомої маси в молі, використовуючи молярну масу речовини в якості коефіцієнта перетворення. Тоді - і тільки тоді - ми використовуємо збалансоване хімічне рівняння для побудови коефіцієнта перетворення цієї кількості на молі іншої речовини, яка, в свою чергу, може бути перетворена у відповідну масу. Послідовно процес відбувається наступним чином:
Цей тричастковий процес може здійснюватися в три дискретних етапи або об'єднаний в єдиний розрахунок, який містить три коефіцієнти перетворення. Наступний приклад ілюструє обидві техніки.
Метан може реагувати з елементарним хлором, утворюючи чотирихлористий вуглець (\(\ce{CCl4}\)). Збалансоване хімічне рівняння виглядає наступним чином:
\[\ce{CH_4 + 4Cl_2 \rightarrow CCl_4 + 4HCl} \nonumber \]
Скільки грам HCl виробляється при реакції 100,0 г\(\ce{CCl4}\)?
Рішення
По-перше, давайте поетапно попрацюємо над проблемою. Почнемо з перетворення маси\(\ce{CCl4}\) в молі\(\ce{CCl4}\), використовуючи молярну масу\(\ce{CCl4}\) (16,05 г/моль) в якості коефіцієнта перетворення:
\(\mathrm{100.0\: g\: CH_4\times\dfrac{1\: mol\: CH_4}{16.05\: g\: CH_4}=6.231\: mol\: CH_4}\)
Зверніть увагу, що ми перевернули молярну масу так, щоб грамові одиниці скасувалися, даючи нам відповідь у родимок. Далі ми використовуємо збалансоване хімічне рівняння, щоб визначити співвідношення родимок\(\ce{CCl4}\) і молей HCl і перетворити наш перший результат в молі HCl:
\(\mathrm{6.231\: mol\: CH_4\times\dfrac{4\: mol\: HCl}{1\: mol\: CH_4}=24.92\: mol\: HCl}\)
Нарешті, ми використовуємо молярну масу HCl (36,46 г/моль) як коефіцієнт перетворення для обчислення маси 24,92 моль HCl:
\(\mathrm{24.92\: mol\: HCl\times\dfrac{36.46\: g\: HCl}{1\: mol\: HCl}=908.5\: g\: HCl}\)
На кожному кроці ми обмежили відповідь відповідною кількістю значущих цифр. При бажанні ми можемо зробити всі три перетворення в одному рядку:
\(\mathrm{100.0\: g\: CH_4\times\dfrac{1\: mol\: CH_4}{16.05\: g\: CH_4}\times\dfrac{4\: mol\: HCl}{1\: mol\: CH_4}\times\dfrac{36.46\: g\: HCl}{1\: mol\: HCl}=908.7\: g\: HCl}\)
Ця остаточна відповідь дещо відрізняється від нашої першої відповіді, оскільки лише остаточна відповідь обмежується належною кількістю значущих цифр. У першій відповіді ми обмежили кожну проміжну величину належним числом значущих цифр. Як бачите, обидві відповіді по суті однакові.
Окислення пропанола (СН 3 СН 2 СН 2 СН) до пропіонової кислоти (СН 3 СН 2 СООН) має наступне хімічне рівняння:
СН 3 СН 2 ЧО + 2К 2 Кр 2 О 7 → СН 3 СН 2 СООН + інші продукти
Скільки грам пропіонової кислоти виробляється при реакції 135,8 г K 2 Cr 2 O 7?
- Відповідь
-
\(\mathrm{135.8\: g\: K_2Cr_2O_7\times\dfrac{1\: mol\: K_2Cr_2O_7}{294.20\: g\: K_2Cr_2O_7}\times\dfrac{1\: mol\: CH_3CH_2COOH}{2\: mol\: K_2Cr_2O_7}\times\dfrac{74.09\: g\: CH_3CH_2COOH}{1\: mol\: CH_3CH_2COOH}=17.10\: g\: CH_3CH_2COOH}\)
Таксол - потужний протипухлинний препарат, який спочатку був витягнутий з тихоокеанського тисового дерева (Taxus brevifolia). Як видно з супутнього малюнка, таксол - це дуже складна молекула, з молекулярною формулою\(\ce{C47H51NO14}\). Ізоляція таксолу від природного джерела представляє певні проблеми, головним чином, що тихоокеанський тис - це повільно зростаюче дерево, і еквівалент шести дерев повинен бути зібраний, щоб забезпечити достатню кількість таксолу для лікування одного пацієнта. Хоча споріднених видів тисових дерев також виробляють таксол у невеликих кількостях, існує значний інтерес до синтезу цієї складної молекули в лабораторії.
Після 20-річних зусиль дві дослідницькі групи оголосили про повний лабораторний синтез таксолу в 1994 році. Однак кожен синтез вимагав понад 30 окремих хімічних реакцій із загальною ефективністю менше 0,05%. Щоб поставити це в перспективі, щоб отримати одну 300 мг дози таксолу, вам доведеться почати з 600 г вихідного матеріалу. Для лікування 26 000 жінок, у яких діагностовано рак яєчників щороку однією дозою, майже 16 000 кг (понад 17 тонн) вихідного матеріалу повинні бути перетворені на таксол. Таксол також використовується для лікування раку молочної залози, з яким щорічно діагностують 200 000 жінок в США. Це тільки збільшує кількість необхідного вихідного матеріалу.
Зрозуміло, що існує великий інтерес до підвищення загальної ефективності синтезу таксолу. Покращений синтез не тільки буде легше, але і буде виробляти менше відходів, що дозволить більшій кількості людей скористатися цим потенційно рятувальним препаратом.
Ключ на винос
- Збалансоване хімічне рівняння може бути використано для зв'язку мас або молей різних речовин в реакції.