4.5. Приклади кількісних хімічних розрахунків

Приступаючи до розв'язання кількісних задач, насамперед необхідно обміркувати кожну конкретну задачу на основі уявлень про атоми й молекули і лише потім вирішити, у який спосіб слід виконувати розрахунки. При цьому не потрібно запам'ятовувати жодних правил розв'язання конкретних задач — застосування таких правил призведе лише до плутанини й помилок.

Способи розв'язання хімічних задач найкраще показати на деяких прикладах.

Як правило, хімічні задачі можна розв'язувати за допомогою рахункової (логарифмічної) лінійки. Це дає змогу одержувати відповіді з точністю до третього знака, що часто відповідає точності вихідних даних. Але в деяких випадках є надійніші дані, і тоді слід користуватися логарифмічними таблицями або суворішими методами розрахунку, які дають змогу одержати відповідь із потрібною точністю. Якщо задача не вимагає особливої точності, то значення атомних мас можна округлити до першого десяткового знака.

Чому дорівнює відсотковий вміст Плюмбуму в галеніті PbS? Розрахуйте з точністю до 0,1%.

Розв'язання. Молекулярна (формульна) маса PbS визначається додаванням атомних мас Плюмбуму та Сульфуру; ці дані слід узяти з табл. 4.1 і округлити їх. Тоді матимемо:

Маса одного атома Плюмбуму (1 Pb) =207,2 d

Маса одного атома Сульфуру (1 S) = 32,1 d

Маса 1 PbS = 239,3 d

Звідси випливає, що в 239,3 d PbS міститься 207,2 d Плюмбуму. У 100,0 г PbS міститься

$\frac{\text{207,2 d плюмбуму}}{\text{239,3 d галеніту}}\times\text{100 г = 86,6 г Pb}$

Таким чином, галеніт містить 86,6%Pb .

Ракетне паливо можна одержати змішуванням порошку калій перхлорату KClO₄ і порошкоподібного вугілля (газової сажі) C з невеликою кількістю клейкої речовини як сполучного. Яку кількість вугілля необхідно змішати з 1000 г калій перхлорату, щоб одержати як продукти реакції KCl і CO₂?

Розв'язання. Запишемо рівняння цієї реакції:

KClO₄ + 2C → KCl + 2CO₂.

Потім розрахуємо формульну масу KClO₄:

Маса 1K =39,1

Маса 1Cl =35,5

Маса 4O = 4x16,0 = 64,0

Маса KClO₄ = 138,6

Атомна маса Карбону дорівнює 12,0; маса 2C становить 24,0; отже, необхідна кількість вуглецю становитиме 24,0/138,6 маси калій перхлорату:

$\frac{24,0 (C)}{138,6 (KClO_{4})} \times 100 г (KClO_{4}) = 173 г (C)$

Таким чином, у цьому випадку 1000 г калій перхлорату потрібно змішати з 173 г вугілля*.

Під час визначення атомної маси Феруму 7,59712 г ретельно очищеного ферум(III) оксиду Fe₂O₃ відновлювали нагріванням у струмені водню; при цьому було одержано 5,31364 г металевого заліза. Використовуючи відоме значення атомної маси Оксигену, розрахуйте атомну масу Феруму за результатами цього досліду.

Розв'язання. Різниця між масою ферум(III) оксиду та масою одержаного заліза, 2,28348 г, дорівнює масі Оксигену, що міститься у взятій наважці оксиду. З формули видно, що дві третини цієї кількості становлять масу такого числа атомів Оксигену, яке відповідає числу атомів Феруму в наважці, тобто 5,34364 г. Атомна маса Оксигену 15,9994 (табл. 4.1). Таким чином, атомна маса Феруму дорівнюватиме

$\frac{5,31364}{(2/3) \times 2,28348} \times 15,9994 = 55,8457.$

Це значення атомної маси Феруму (55,8457) узято з роботи, виконаної Бакстером і Гувером 50 років тому. Воно дуже близьке до значення 55,847, наведеного в табл. 4.1.

Арсен оксид містить 65,2% Арсену. Яка найпростіша формула цього оксиду?

Розв'язання. У 100 г цього арсен оксиду за даними аналізу міститься 65,2 г Арсену і 34,8 г Оксигену. Якщо поділити 65,2 г на грам-атомну масу Арсену 74,9 г, то дістанемо 0,870, тобто число грам-атомів Арсену. Так само, поділивши 34,8 г на грам-атомну масу Оксигену 16 г, дістанемо 2,17 — число грам-атомів Оксигену в 100 г арсен оксиду. Отже, числа атомів Арсену й Оксигену в цій сполуці перебувають у відношенні 0,870 до 2,17. Якщо обчислити це відношення на логарифмічній лінійці, то виходить значення, дуже близьке до 2/5; воно дорівнює 2/4,99. Звідси найпростіша формула оксиду As₂O₅.

Слід зазначити, що це найпростіша формула, оскільки не виключено, що речовина містить складніші молекули, наприклад As₄O₁₀; у цьому разі правильніше було б указувати у формулі найбільше число атомів у молекулі.

* Зазначимо умовність, прийняту в хімії, у вислові «173 г вугілля» в однині; це означає радше кількість вугілля масою 173 г, ніж 173 окремі грами вугілля.