6.1: Балансування реакцій, вихід і обмежувальні реагенти
- Page ID
- 27761
Балансування реакцій
Хімічна реакція передбачає перестановку елементів в сполуки, щоб зробити різні речовини. Вони зазвичай пишуться у вигляді суми реагентів, які при з'єднанні дають суму продуктів:
\(A+B \rightarrow C+D\)
Тут A, B, C і D являють собою хімічні сполуки. Основним принципом, який керує процесом балансування реакції, є збереження маси: хімічна реакція не може створити або знищити масу! Це має кілька наслідків, які можуть бути використані для визначення того, чи є реакція дійсною:
1. Маса реагентів повинна дорівнювати масі продуктів
2. Кожен елемент, який знаходиться в реагенті, повинен бути в продукті
3. Кількість кожного типу атома в реагентах має дорівнювати числу кожного типу атома в продуктах.
Приклад: Етилен та кисневий газ поєднуються для отримання води та вуглекислого газу. Якщо почати з 4 молів\(\mathrm{O}_2\) газу, скільки родимок води і вуглекислого газу можна зробити? Незбалансоване рівняння наведено нижче:
\(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_4+\mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}\)
По-перше, ми повинні збалансувати реакцію. Один із способів зробити це за допомогою таблиці:
\ (\ begin {масив} {c||c|c|c|c|c|c}
\ hline &\ mathrm {C} &\ mathrm {H} &\ mathrm {O} &\ mathrm {C} &\ mathrm {H}\ mathrm {O}\\ hline
\ текст {Початковий (незбалансований):} & 2 & 4 & 2 & 1 & 2 & 3\\\ hline
\ begin {масив} {l}
\ текст {Потреба: парна кількість кисню}\
\ текст {Спробуйте:} 2\ times\ mathrm {H} _2\ mathrm {O}\ text {праворуч}
\ кінець {масив} & 2 & 4 &4\\\ hline
\ begin {масив} {l}
\ текст {Потрібно: парна кількість вуглецю}\\
\ текст {Спробуйте:} 2\ раз\ mathrm {CO} _2\ текст {праворуч:}
\ кінець {масив} & 2 & 4 & 2 & 4 & 6\\ hline
\ begin {масив} {l}
\ текст {Потрібно: більше кисню зліва}\
\ text {Спробуйте:} 3\ раз\ mathrm {O} _2\ текст {на ліворуч}
\ кінець {масив} & 2 & 4 & 6 & 2 & 4 & 6
\ end {масив}\)
Після того, як є однакова кількість кожного елемента по обидва боки реакції, ми закінчили балансування! Остаточна реакція
\(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_4+3 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{CO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\)
Найбільший спільний коефіцієнт між коефіцієнтами перед кожним з'єднанням дорівнює 1, тому це найпростіша форма.
врожайність
Вихід реакції - це максимальна кількість продуктів, які можуть бути зроблені з реагентами, які вводяться. Наприклад, розглянемо s'more, який складається з зефіру, шматочка шоколаду та двох крекерів Грема. Якщо у вас було 5 зефіру, 4 шматочки шоколаду та 6 крекерів Грема, ви могли б зробити 3 повних s'mores (з 2 додатковими зефіром та 1 додатковим зефіром). Поєднуємо хімічні сполуки однаково!
Приклад: Аміак\(\left(\mathrm{NH}_3\right)\) утворюється, коли газ азоту\(\left(\mathrm{N}_2\right)\) поєднується з газом воднем\(\left(\mathrm{H}_2\right)\). Напишіть збалансоване рівняння для цієї реакції і визначте, скільки аміаку можна виробляти, якщо почати з 5 молів газоподібного водню.
Для початку давайте збалансуємо реакцію. Ми можемо спробувати деякі коефіцієнти шляхом перевірки та перевірити, що вони задовольняють збереженню маси:
\(\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightarrow 2 \mathrm{NH}_3\)
Ця збалансована реакція говорить нам, що на кожні три молі\(H_2\) газу ми можемо зробити два молі аміаку. Тому, якщо ми починаємо з 5 родимок\(H_2\):
5\(H_2 \times \dfrac{2 \text { moles of } \mathrm{NH}_3}{3 \text { moles of } \mathrm{H}_2}=3.33\) родимок кротів\(\mathrm{NH}_3\)
обмежуючі реагенти
Якщо ми не почнемо з правильних стехіометричних співвідношень реагентів, після того, як ми сформували продукти, може залишитися якийсь реагент. Якщо ми повернемося до прикладу s'mores, ми змогли зробити три повних s'mores, з додатковим шоколадом і зефіром. Оскільки всі крекери Грема використовувалися раніше інших реагентів, вони є обмежуючим реагентом. Граничний реагент специфічний для початкової кількості наявних реагентів.
Приклад: Процес Kroll для виготовлення титанового металу з хлориду титану:
\(\mathrm{TiCl}_4+\mathrm{Mg} \rightarrow \mathrm{MgCL}_2+\mathrm{Ti}\)
Ви\(25 \mathrm{~kg}\) реагуєте\(\mathrm{Mg}\) з\(200 \mathrm{~kg}\) з\(\mathrm{TiCl}_4\).
а) Збалансувати реакцію, б) визначити граничний реагент, а в) визначити вихід\(\mathrm{Ti}\) в цю реакцію.
- Відповідь
-
а) Щоб збалансувати реакцію, ми можемо почати з погляду на\(\mathrm{Cl}\) атоми: нам потрібно подвоїти праворуч, щоб дорівнювати лівому.\(\mathrm{MgCl}_2\) Потім нам просто потрібно збалансувати\(\mathrm{Mg}\) атоми: нам потрібно подвійне праворуч, щоб врахувати додаткові, які ми щойно створили зліва. Отже, збалансована реакція
\[\mathrm{TiCl}_4+2 \mathrm{Mg} \rightarrow 2 \mathrm{MgCl}_2+\mathrm{Ti} \nonumber\]
б) Щоб знайти граничний реагент, нам потрібно знайти молярну масу реагентів:
\ почати {зібраний}
\ mathrm {ticL} _4:47.87+4\ раз 25,45=189,7\ mathrm {~ g}/\ mathrm {mol}\\
M g: 24.3\ mathrm {g}/\ mathrm {mol}
\ кінець {зібрався}Далі ми можемо перетворити з грам в молі:
\ begin {зібрано}
200\ математика {~кг}\ математика {ticL} _4\ times\ drac {1000\ mathrm {~g}\ mathrm {1\ mathrm {~kg}\ mathrm {ticL} l_4}\ раз\ drac {1\ mathrm {~mol}\ mathrm {ticL} _4} {189.7\ математика {~g}\ математика {ticL} l_4} =1054\ математика {~моль}\ математика {ticL} _4\
15\ mathrm {~kg}\ математика {Mg}\ час\ фрак {1000\ mathrm {~g}\ mathrm {Mg}} {1\ mathrm {~kg}\ mathrm {Mg}}\ times\ drac {1\ mathrm {~mol}\ mathrm {Mg}} {24.3\ mathrm {~g}\ mathrm {Mg} =1029\ mathrm {~mol}\ mathrm {Mg}
\ кінець {зібраний}Збалансована реакція говорить нам, що нам потрібно вдвічі більше молей магнію, ніж родимок хлориду титану. Ми не маємо достатньо,\(\mathrm{Mg}\) щоб реагувати з усіма\(\mathrm{TiCl}_4\), так\(\mathrm{Mg}\) це обмежуючий реагент.
в) Вихід визначається початковою кількістю граничного реагенту. Збалансована реакція говорить нам, що ми отримуємо дві родимки\(M g \mathrm{Cl}_2\) і 1 моль\(\mathrm{Ti}\) на моль\(M g\) ми реагуємо, тому врожайність
\[1029 \mathrm{~mol} \mathrm{Mg} \times \dfrac{1 \mathrm{~mol} \mathrm{Ti}}{2 \mathrm{~mol} \mathrm{Mg}} \times \dfrac{47.87 \mathrm{~g} \mathrm{Ti}}{1 \mathrm{~mol} \mathrm{Ti}}=24.7 \mathrm{~kg} \text { of } \mathrm{Ti} \nonumber\]