Химия Инфо

Объемные отношения газов при химических реакциях

Для реакции газов не всегда требуется переводить литры в граммы и моли. Если объёмы относятся к одинаковым температуре и давлению, нужные соотношения можно прочитать прямо из уравнения. Но сначала важно правильно расставить коэффициенты, проверить агрегатные состояния и определить, какой реагент закончится первым.

Что показывают коэффициенты

Объёмы прореагировавших и образовавшихся газов относятся как коэффициенты в уравнении реакции, если все объёмы приведены к одинаковым температуре и давлению и газы рассматриваются как идеальные.

Коэффициенты прежде всего задают отношения количеств вещества. По закону Авогадро при общих температуре и давлении количества вещества газов пропорциональны объёмам. Поэтому одинаковый молярный объём сокращается при делении. Для газов A и B получаем:

V(A) / V(B) = n(A) / n(B) = a / b.

Здесь a и b — коэффициенты перед соответствующими веществами. Отношение относится к веществам, действительно участвовавшим в превращении. Начальные объёмы могут ему не соответствовать: тогда один из реагентов окажется в избытке.

Нормальные условия для такого сокращения не обязательны. Подойдёт любая общая пара температуры и давления, при которой вещества остаются газами и применима выбранная модель. Число 22,4 л/моль для самого отношения не нужно.

Почему нужно проверять состояние воды

Газовые объёмные отношения применяют только к газам. Если вода является жидкостью или льдом, её объём нельзя находить как объём газа по коэффициенту реакции.

Например, в реакции образования воды коэффициент 2 перед H2O можно понимать как два объёма именно водяного пара. Для сравнения исходных газов и пара задают одинаковую достаточно высокую температуру и подходящее давление. В примерах ниже используем 450 K и 100 кПа; воду считаем газообразной, газы — идеальными.

При последующем охлаждении часть пара может сконденсироваться. Тогда потребуется заново определить газовый состав: количество образовавшейся воды не меняется от одного лишь перехода в жидкость, но её вклад в газовый объём меняется. Объём влажного газа и объём того же газа без водяного пара также могут различаться.

Порядок решения задачи

  1. Запишите химическое уравнение и проверьте коэффициенты по числу атомов каждого элемента.
  2. Отметьте газообразные вещества. Не переносите объёмные коэффициенты на жидкости, твёрдые тела или растворы.
  3. Проверьте, к одинаковым ли температуре и давлению отнесены все объёмы. Если нет, сначала пересчитайте условия.
  4. Если даны оба реагента, определите недостаток и избыток. Рассчитайте продукт по тому веществу, которое израсходуется полностью.
  5. При поиске общего конечного объёма сложите объёмы газообразных продуктов и непрореагировавших газов.

Далее рассматриваем теоретические расчёты: указанная реакция идёт до полного расходования лимитирующего реагента, побочных превращений нет. Реальные процессы могут требовать учёта выхода продукта, равновесия и потерь. Приведённые числа не являются инструкциями для проведения опытов.

Три разобранных примера

Пример 1 Водород, кислород и водяной пар

Какой объём кислорода нужен для полного превращения 4 л водорода и сколько водяного пара образуется? Все объёмы сравниваем при 450 K и 100 кПа, после приведения веществ к этим условиям.

2H2(газ) + O2(газ) → 2H2O(газ).

V(H2) : V(O2) : V(H2O) = 2 : 1 : 2.

V(O2) = 4 л · 1 / 2 = 2 л.

V(H2O) = 4 л · 2 / 2 = 4 л.

Ответ: 2 л кислорода и 4 л пара. Исходные газы взяты в точном соотношении, поэтому остатка реагентов в нашей модели нет. Сравним сумму исходных объёмов и конечный объём пара:

Vдо = 4 л + 2 л = 6 л.

Vпосле = 4 л.

Атомы сохранились, но из трёх молекул исходных газов в стехиометрическом соотношении получаются две молекулы воды. Объём газа при одинаковых условиях уменьшился; это не противоречит закону сохранения массы.

Пример 2 Полное сгорание метана

Найдём необходимые объёмы кислорода и продуктов для полного сгорания 3 л CH4. Все объёмы снова относим к 450 K и 100 кПа; вода в продуктах — пар, кислорода берём ровно необходимое количество.

CH4(газ) + 2O2(газ) → CO2(газ) + 2H2O(газ).

V(O2) = 3 л · 2 = 6 л.

V(CO2) = 3 л · 1 = 3 л.

V(H2O) = 3 л · 2 = 6 л.

Ответ: нужно 6 л кислорода; образуются 3 л CO2 и 6 л пара. При выбранных условиях суммарные объёмы совпали:

Vдо = 3 л + 6 л = 9 л.

Vпосле = 3 л + 6 л = 9 л.

Совпадение объясняется одинаковыми суммами газовых коэффициентов слева и справа. Оно относится к этой реакции и этим агрегатным состояниям. Если воду охладить и сконденсировать, считать прежние 6 л пара в конечном газовом объёме уже нельзя.

Пример 3 Кислород в избытке

Имеются 8 л CO и 5 л O2. Определим объём образовавшегося CO2 и оставшейся газовой смеси. Все исходные и конечные объёмы отнесены к одинаковым температуре и давлению.

2CO(газ) + O2(газ) → 2CO2(газ).

Для полного расходования 8 л CO требуется:

V(O2)требуется = 8 л · 1 / 2 = 4 л.

Доступны 5 л кислорода, поэтому CO — лимитирующий реагент, а кислород взят в избытке. Продукт рассчитываем по CO, затем отдельно находим остаток:

V(CO2) = 8 л · 2 / 2 = 8 л.

V(O2)остаток = 5 л − 4 л = 1 л.

Vпосле = 8 л + 1 л = 9 л.

Ответ: 8 л CO2, 1 л непрореагировавшего O2, всего 9 л газовой смеси. Начальный суммарный объём составлял 13 л. Расчёт по всем 5 л кислорода был бы ошибочным: для их полного расходования не хватает CO.

Что сохраняется и где возникают ошибки

Масса и число атомов каждого элемента при химической реакции сохраняются. Суммарный объём газов при одинаковых температуре и давлении сохраняться не обязан: он зависит от изменения общего количества газа.

В модели идеальной смеси сумму исходных объёмов отдельных газов при одной паре температуры и давления можно сопоставить с объёмом их смеси при тех же условиях. Это расчёт по количествам вещества, а не утверждение, что каждый компонент после смешивания занимает отдельную часть сосуда.

  • Путать индекс и коэффициент. Индекс 2 в O2 описывает молекулу; объёмное отношение задаёт коэффициент перед формулой.
  • Игнорировать лишний реагент. Он входит в конечную газовую смесь, если остаётся газом и не удалён по условию.
  • Сравнивать горячий продукт с холодным реагентом. Даже правильное химическое уравнение не отменяет зависимость объёма от условий.
  • Считать водяной пар газом при любых условиях. После охлаждения нужно учитывать конденсацию; при 273,15 K и обычном давлении нельзя приписать всей воде объём пара по школьному значению 22,4 л/моль.

Проверьте себя

Во всех задачах используйте модель идеального газа и полное протекание указанной реакции. Сравниваемые объёмы относятся к одинаковым температуре и давлению; для воды это 450 K и 100 кПа.

  1. Какой объём O2 нужен для превращения 10 л H2 в водяной пар? Сколько пара получится?
  2. Какой объём кислорода необходим для полного сгорания 2 л CH4?
  3. Для реакции взяли 6 л CO и 2 л O2. Найдите объём CO2, остаток реагента и общий конечный объём.
  4. В первом задании равны ли сумма исходных газовых объёмов и объём продукта? Объясните.
  5. Можно ли после охлаждения воды до жидкого состояния использовать газовое отношение 2 : 1 : 2 для нахождения её объёма?

Ответы и объяснения

  1. Из отношения 2 : 1 : 2 получаем:

    V(O2) = 10 л / 2 = 5 л.

    V(H2O) = 10 л.

    Вода в этом расчёте остаётся паром.

  2. На один объём метана расходуются два объёма кислорода:

    V(O2) = 2 л · 2 = 4 л.

  3. Лимитирует кислород: его хватает только на 4 л CO.

    V(CO)реагирует = 2 л · 2 = 4 л.

    V(CO2) = 4 л.

    V(CO)остаток = 6 л − 4 л = 2 л.

    Vпосле = 4 л + 2 л = 6 л.

  4. Не равны. Из трёх объёмов реагентов получаются два объёма пара:

    Vдо = 10 л + 5 л = 15 л.

    Vпосле = 10 л.

    Уменьшение объёма связано с уменьшением количества газообразных частиц.

  5. Нет: коэффициенты задают количества вещества воды, но её жидкий объём зависит от плотности. Газовое отношение сохраняет смысл для количества вещества, а не для литров жидкости.

Связанные темы и источники

Основа расчётов — закон Авогадро. Для перехода к массе повторите количество вещества и моль и молярную массу.

Научная основа: OpenStax — стехиометрия газов и лимитирующий реагент и теоретический выход.