Нахождение объемной доли. Конспект урока "Объёмная доля газа в смеси"
В статье рассматривается такое понятие, как массовая доля. Приводятся способы ее вычисления. Также описаны определения сходных по звучанию, но отличных по физическому смыслу величин. Это массовые доли для элемента и выхода.
Колыбель жизни - раствор
Вода - источник жизни на нашей прекрасной голубой планете. Это выражение можно встретить довольно часто. Однако мало кто, кроме специалистов, задумывается: на самом деле субстратом для развития первых биологических систем стал раствор веществ, а не химически чистая вода. Наверняка в популярной литературе или передаче читатель встречал выражение «первичный бульон».
Об источниках, давших толчок развитию жизни в виде сложных органических молекул, до сих пор спорят. Некоторые даже предполагают не просто естественное и весьма удачное стечение обстоятельств, а космическое вмешательство. Причем речь идет вовсе не о мифических пришельцах, а о специфических условиях для создания этих молекул, которые могут существовать только на поверхности малых космических тел, лишенных атмосферы, - кометах и астероидах. Таким образом, было бы правильнее говорить, что раствор органических молекул - колыбель всего живого.
Вода как химически чистое вещество
Несмотря на огромные соленые океаны и моря, пресные озера и реки, в химически чистом виде вода встречается крайне редко, в основном в специальных лабораториях. Напомним, в отечественной научной традиции химически чистое вещество - это субстанция, которая содержит не более десяти в минус шестой степени массовой доли примесей.
Получение абсолютно свободной от посторонних компонентов массы требует невероятных затрат и редко себя оправдывает. Применяется только в отдельных производствах, где даже один посторонний атом может испортить эксперимент. Отметим, что полупроводниковые элементы, которые составляют основу сегодняшней миниатюрной техники (в том числе смартфоны и планшеты), к примесям очень чувствительны. В их создании как раз и нужны совершенно незагрязненные растворители. Однако по сравнению со всей жидкостью планеты это ничтожно мало. Как же так получается, что распространенная, пронизывающая нашу планету насквозь вода так редко встречается в чистом виде? Объясним чуть ниже.
Идеальный растворитель
Ответ на поставленный в предыдущем разделе вопрос невероятно прост. Вода имеет полярные молекулы. Это значит, что в каждой мельчайше частице этой жидкости положительный и отрицательный полюсы не намного, но разнесены. При этом структуры, возникающие даже в жидкой воде, создают дополнительные (так называемые водородные) связи. И в общей сложности это дает следующий результат. Попадающее в воду вещество (не важно, какой заряд оно имеет) растаскивается молекулами жидкости. Каждая частичка растворенной примеси обволакивается либо отрицательными, либо положительными сторонами молекул воды. Таким образом, эта уникальная жидкость способна растворять очень большое количество самых разнообразных веществ.
Понятие массовой доли в растворе
Получающийся раствор содержит некоторую часть примеси, имеющей название "массовая доля". Хотя такое выражение встречается не часто. Обычно используется другой термин - "концентрация". Массовая доля определяется конкретным соотношением. Формульное выражение приводить не будем, оно достаточно простое, объясним лучше физический смысл. Это соотношение двух масс - примеси к раствору. Массовая доля - величина безразмерная. Выражается по-разному в зависимости от конкретных задач. То есть в долях единицы, если в формуле есть только соотношение масс, и в процентах - если результат умножается на 100%.
Растворимость
Помимо Н 2 О применяются и другие растворители. Кроме того, есть вещества, которые принципиально не отдают свои молекулы воде. Зато с легкостью растворяются в бензине или горячей серной кислоте.
Существуют специальные таблицы, которые показывают, сколько того или иного материала останется в жидкости. Этот показатель называется растворимостью, и он зависит от температуры. Чем она выше, тем активнее двигаются атомы или молекулы растворителя, и тем больше примеси он способен поглотить.
Варианты определения доли растворенного вещества в растворе
Так как задачи у химиков и технологов, а также инженеров и физиков могут быть разными, часть растворенного вещества в воде определяется по-разному. Объемная доля вычисляется как объем примеси к общему объему раствора. Используется другой параметр, однако принцип остается тем же.
Объемная доля сохраняет безразмерность, выражаясь либо в долях единицы, либо в процентах. Молярность (по-другому еще называется "молярная объемная концентрация") - это число молей растворенного вещества в заданном объеме раствора. В этом определении участвуют уже два различных параметра одной системы, и размерность у данной величины другая. Она выражается в молях на литр. На всякий случай напомним, что моль - это количество вещества, содержащего примерно десять в двадцать третьей степени молекул или атомов.
Понятие массовой доли элемента
Эта величина имеет лишь косвенное отношение к растворам. Массовая доля элемента отличается от рассмотренного выше понятия. Любое сложное химическое соединение состоит из двух или более элементов. Каждый обладает своей относительной массой. Эту величину можно найти в химической системе Менделеева. Там она указана в нецелых числах, но для приблизительных задач значение можно округлить. В состав сложного вещества входит определенное количество атомов каждого вида. Например, в воде (Н 2 О) два атома водорода и один кислорода. Соотношение между относительной массой всего вещества и данного элемента в процентах и будет составлять массовую долю элемента.
Для неискушенного читателя эти два понятия могут показаться близкими. И достаточно часто их путают между собой. Массовая доля выхода относится не к растворам, а к реакциям. Любой химический процесс всегда протекает с получением конкретных продуктов. Их выход рассчитывается по формулам в зависимости от реагирующих веществ и условий процесса. В отличие от просто массовой доли, эту величину не так просто определить. Теоретические расчеты предлагают максимально возможное количество вещества продукта реакции. Однако практика всегда дает немного меньшее значение. Причины такого расхождения кроются в распределении энергий среди даже сильно нагретых молекул.
Таким образом, всегда найдутся наиболее «холодные» частицы, которые не смогут вступить в реакцию и останутся в первоначальном состоянии. Физический смысл массовой доли выхода состоит в том, какой процент составляет реально полученное вещество от теоретически рассчитанного. Формула невероятно проста. Масса практически полученного продукта делится на массу практически рассчитанного, все выражение умножается на сто процентов. Массовая доля выхода определяется по количеству молей реагирующего вещества. Не стоит забывать об этом. Дело в том, что один моль вещества - определенное количество его атомов или молекул. По закону сохранения вещества из двадцати молекул воды не может получиться тридцать молекул серной кислоты, поэтому задачи вычисляются именно так. Из количества молей исходного компонента выводят массу, которая теоретически возможна для результата. Затем, зная, сколько продукта реакции на самом деле было получено, по описанной выше формуле определяют массовую долю выхода.
Определение массовой или объемной доли выхода продукта реакции от теоретически возможного
Количественную оценку выхода продукта реакции от теоретически возможного выражают в долях единицы или в процентах и рассчитывают по формулам:
M практ / m теорет ;
M практ / m теорет *100 %,
где (этта)- массовая доля выхода продукта реакции от теоретически возможного;
V практ / V теорет ;
V практ / V теорет * 100 %,
где (фи) - объемная доля выхода продукта реакции от теоретически возможного.
Пример 1. При восстановлении водородом оксида меди(II) массой 96 гполучена медь массой 56,4 г. Сколько это составит оттеоретически возможного выхода?
Решение:
1.Записываем уравнение химической реакции:
CuO + H 2 = Cu + Н 2 О
1 моль1 моль
2. Вычисляем химическое количество оксида меди (II ):
М(С u О) = 80г/моль,
n (CuO ) = 96/80 = 1,2 (моль).
3. Вычисляем теоретический выход меди: исходя из уравнения реакции, n (Cu ) = n (CuO ) = 1,2 моль,
m (С u ) = 1,2 · 64 = 76,8 (г),
т. к. М(С u ) = 64 г/моль
4.Вычисляем массовую долю выхода меди по сравнению с теоретически возможным: = 56.4/76.8= 0,73 или 73 %
Ответ: 73 %
Пример 2. Сколько йода может быть получено при действии хлора найодид калия массой 132,8 кг, если потеривпроизводстве составляют 4 %?
Решение:
1.Записываем уравнение реакции:
2KI + Cl 2 = 2KCl + I 2
2 кмоль 1 кмоль
2. Вычисляем химическое количество йодида калия:
М(К I ) = 166 кг/кмоль,
n (К I ) = 132.8/166= 0,8 (кмоль).
2. Определяем теоретический выход йода: исходя из уравнения реакции,
n(I 2)= 1/2n(KI) = 0,4 моль ,
М (I 2)= 254 кг / кмоль .
Откуда, m (I 2 ) = 0,4 * 254 = 101,6 (кг).
3. Определяем массовую долю практического выхода йода:
=(100 - 4) = 96 % или0,96
4. Определяем массу йода, практически полученного:
m (I 2 )= 101,6 * 0,96 = 97,54 (кг).
Ответ:97,54 кг йода
Пример 3. При сжигании 33,6 дм 3 аммиака получен азот объемом 15 дм 3 . Вычислите объемную долю выхода азота в % от теоретически возможного.
Решение:
1. Записываем уравнение реакции:
4 NH 3 + 3 O 2 = 2 N 2 + 6 H 2 O
4 моль2 моль
2. Вычисляем теоретический выход азота:согласно закону Гей –Люссака
при сжигании 4 дм 3 аммиака получается 2 дм 3 азота, а
при сжигании 33,6 дм 3 получаетсях дм 3 азота
х = 33. 6*2/4 = 16,8 (дм 3).
3. Вычисляем объемную долю выхода азота от теоретически возможного:
15/16.8 =0,89 или 89 %
Ответ:89 %
Пример 4. Какая массааммиака необходима для получения 5 т азотной кислоты с массовой долей кислоты 60 %, считая, что потери аммиака в производстве составляют 2,8 %?
Решение: 1. Записываем уравнения реакций, лежащих в основе производства азотной кислоты:
4NH 3 + 5 O 2 = 4NO + 6H 2 O
2NO + O 2 = 2NO 2
4NO 2 + O 2 + 2H 2 O = 4HNO 3
2. Исходя из уравнений реакций видим, что из 4 моль аммиака получается
4 моль азотной кислоты.Получаем схему:
NH 3 HNO 3
1 тмоль1тмоль
3.Вычисляем массуи химическое количество азотной кислоты, которая необходима для получения 5 траствора с массовой долей кислоты 60 %:
m (в-ва) = m (р-ра) * w (в-ва),
m (HNO 3 )= 5 * 0,6 = 3 (т),
4. Вычисляем химическое количество кислоты:
n (HNO 3 ) = 3/63 = 0,048 (тмоль),
т. к. М(HNO 3 ) = 63 г/моль.
5. Исходя из составленной схемы:
n (NH 3 ) = 0,048 тмоль,
а m (NH 3 ) = 0,048 · 17 = 0,82 (т),
т. к. М(NH 3 ) = 17 г/моль.
Но такое количество аммиака должно вступить в реакцию, если не учитывать потери аммиака в производстве.
6. Вычисляем массу аммиака с учетом потерь: примем массу аммиака, участвующего в реакции - 0,82 т- за97,2 %,