Вправа 170. Розгляньте горіння метану як окисно-відновну реакцію: назвіть елемент окисник і елемент відновник, охарактеризуйте процеси окиснення і відновлення.
C-4H4+1 + O20 -> C+4O2-2 + H2+1O-2
відновник С-4 - 8e- -> C+4 8 │8│1 окиснення
окисник O20 +4e- ->2O-2 4 │ │2 відновлення
Числа в останньому стовпчику — 1 і 2 — це додаткові множники в схемах відповідних процесів:
C-4 - 8e- -> C+4
2O20 + 8e- -> 4O-2
Додамо почленно ці рівняння, одержимо сумарну схему:
C-4 + 2O20 -> C+4 + 4O-2
Ці коефіцієнти переносимо у рівняння реакції (зверніть увагу: два атоми O-2 є у складі CO2, тому біля H2O залишається коефіцієнт 2):
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Перевіряємо, чи зрівнялося число атомів елементів, яких не було в схемах окиснення та відновлення. Число атомів Гідрогену в обох частинах однакове: по 4 атома.
Вправа 171. Допишіть хімічні рівняння:
а) С3Н8 + … О2 (надлишок) → … ;
C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O
б) … (гомолог метану) + … О2 → 5СО2 + … H2O.
C5H12 + 8O2 -> 5CO2 + 6H2O
Вправа 172. Напишіть рівняння реакцій горіння етилену та ацетилену за умови нестачі кисню (з утворенням карбон (ІІ) оксиду і водяної пари).
C2H4 + 2O2 = 2CO + 2H2O
2C2H2 + 3O2 = 4CO + 2H2O
Вправа 173. Чи вистачить 100 л повітря для повного спалювання 5,6 л метану? Вважайте, що об’єми відповідають нормальним умовам, а об’ємна частка кисню в повітрі становить 20%.
Відомо: V(CH4)=5,6 л, φ(O2)=20% або 0,2. Знайти: V(повітря)-?
Розв'язування:
Примітка: найкраще розв'язувати задачу з використанням закону об'ємних відношень (закону Гей-Люссака), який вивчатимете через декілька уроків. Наразі розв'язуємо тими способами, що вже вивчили.
І спосіб
Складаємо хімічне рівняння:
5,6 л х л
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
22,4 л 44,8 л
Над формулами сполук СН4 і O2 записуємо наведені в умові задачі об'єм метану (5,6 л) і невідомий об'єм кисню (х л), а під формулами сполук - об'єми відповідної кількості речовини згідно з коефіцієнтами в хімічному рівнянні (1 моль газу за н.у. займає об'єм 22,4 л, а 2 моль займуть у два рази більший об'єм, тобто 44,8 л).
Складаємо пропорцію і розв'язуємо її:
за рівнянням реакції 22,4 л СН4 реагує з 44,8 л О2,
за умовою задачі 5,6 л СН4 - х л О2.
22,4 л / 5,6 л = 44,8 л / x л
х л • 22,4 л = 44,8 л • 5,6 л
х = 44,8 л • 5,6 л / 22,4 л
х = 11,2 л
З формули обчислення об'ємної частки речовини φ(речовини)=V(речовини)/V(суміші) знаходимо V(суміші)=V(речовини)/φ(речовини).
V(повітря)=V(О2)/φ(О2)=11,2 л : 0,2 = 56 л.
Отже, 56 л < 100 л, тому вистачить.
II спосіб
Обчислюємо кількість речовини метану об'ємом 5,6 л за формулою v=V/VM, де VM - постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль):
n(CH4)=V(CH4)/VM=5,6 л : 22,4 л/моль=0,25 моль.
Записуємо рівняння реакції: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Співвідношення кількості реагентів (у молях) дорівнює співвідношенню відповідних коефіцієнтів у рівнянні реакції. За співвідношенням кількості речовини n(CH4):n(O2)=1:2 бачимо, що кількість речовини кисню є у 2 рази більша, ніж кількість речовини метану, тому
n(O2)=2•n(CH4)=2•0,25 моль=0,5 моль
З формули n=V/Vм, де VM - постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль, знаходимо об'єм V=n•VM
V(O2)=n(О2)•VM=0,5 моль•22,4 л/моль=11,2 л
У повітрі кисню близько 20% за об'ємом (або 1/5 частина), тому повітря треба взяти у 5 разів більшого об'єму, тобто 5•11,2 л= 56 л.
Отже, 56 л < 100 л, тому вистачить.
Відповідь: вистачить.
Вправа 174. Який об’єм повітря витратиться на спалювання 1,4 м3 суміші, яка складається із 60% пропану і 40% бутану (за об’ємом)?
Дано: V(суміш)=1,4 м3=1400 л, φ(С3Н8)=60% або 0,6;
φ(С4Н10)=40% або 0,4, φ(O2)=20% або 0,2
Знайти: V(повітря)-?
Розв'язування:
Знайдемо об'єми пропану і бутану у суміші.
Об'ємна частка речовини (φ) - це відношення об'єму речовини до об'єму суміші: φ(речовини)=V(речовини)/V(суміші), звідси V(речовини)=φ(речовини)•V(суміші).
V(C3H8) = φ(С3Н8)•V(суміші)=0,6•1400 л=840 л.
V(C4H10)=φ(C4H10)•V(суміші)=0,4•1400 л=560 л.
Примітка: найкраще розв'язувати задачу з використанням закону об'ємних відношень (закону Гей-Люссака), який вивчатимете через декілька уроків. Наразі розв'язуємо тими способами, що вже вивчили.
І спосіб
Запишемо рівняння горіння пропану та бутану.
840 л х л
С3Н8 + 5О2 -> 3СО2 + 4Н2О (1)
22,4 л 112 л
560 л у л
2С4Н10 + 13О2 -> 8СО2 + 10Н2О (2)
44,8л 291,2л
Над формулами речовин записуємо дані, що є за умовою задачі.
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння. За н.у. 1 моль газу займає об'єм 22,4 л, тому 2 моль газу займуть - 44,8 л, 5 моль займуть - 112 л, а 13 моль займуть - 291,2 л.
Записуємо під формулами речовин у рівняннях реакції.
Пропорція для обчислення об'єму кисню, що витратиться при згорянні пропану об'ємом 840 л.
840 л / 22,4 л = х л / 112 л, звідси
х л • 22,4 л = 112 л • 840 л
х = 112 л • 840 л : 22,4л
х = V1(О2)=4200 л=4,2 м3
Пропорція для обчислення об'єму кисню, що витратиться при згорянні бутану об'ємом 560 л.
560 л / 44,8 л = у л / 291,2 л, звідси
у л • 44,8 л =291,2 л • 560 л
у = 291,8 л • 560 л : 44,8л
у = V2(О2) = 3640 л = 3,64 м3
Обчислюємо сумарний об'єм кисню:
V(О2)= V1(О2)+V2(О2)=4,2 м3 + 3,64 м3 =7,84 м3
З формули обчислення об'ємної частки речовини φ(речовини)=V(речовини)/V(суміші) знаходимо V(суміші)=V(речовини)/φ(речовини).
V(повітря)=V(О2)/φ(О2)=7,84 л : 0,2 = 39,2 м3.
ІІ спосіб
Обчислюємо кількість речовини за формулою v=V/VM, де VM - постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль):
n(C3H8)=V(C3H8)/VM=840 л : 22,4 л/моль=37,5 моль.
n(C4H10)=V(C4H10)/VM=560 л : 22,4 л/моль=25 моль.
Записуємо рівняння реакції горіння пропану та бутану:
C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O
2С4Н10 + 13О2 -> 8СО2 + 10Н2О
Співвідношення кількості реагентів (у молях) дорівнює співвідношенню відповідних коефіцієнтів у рівнянні реакції. За співвідношенням кількості речовини n(C3H8):n(O2)=1:5 бачимо, що кількість речовини кисню у 5 разів більша, ніж кількість речовини бутану, тому n1(O2)=5•n(C3H8)=5•37,5 моль=187,5 моль
За співвідношенням кількості речовини n(C4H10):n(O2)=2:13=1:6,5 бачимо, що кількість речовини кисню у 6,5 разів більша, ніж кількість речовини пропану, тому n2(O2)=6,5•n(C4H10)=6,5•25 моль=162,5 моль
З формули n=V/Vм, де VM - постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль, знаходимо об'єм V=n•VM
V1(O2)=n1(О2)•VM=187,5 моль•22,4 л/моль=4200 л = 4,2 м3
V2(O2)=n2(О2)•VM=162,5 моль•22,4 л/моль=3600 л = 3,64 м3
Обчислюємо сумарний об'єм кисню:
V(O2)=V1(O2)+V2(O2)=4,2 м3 + 3,64 м3 = 7,84 м3
У повітрі кисню близько 20%, отже,
7,84 м3 кисню - 20%, а
х м3 повітря - 100%
х м3 / 7,84 м3 = 100% / 20%, звідси
х м3 • 20% = 7,84 м3 • 100%
х = 7,84 м3 • 100% : 20%
х = V(повітря) =39,2 м3
Відповідь. V(повітря)=39,2 м3.
Вправа 175. Який об’єм вуглекислого газу утворився після повного згоряння 560 мл суміші метану й етану, важчої за водень у 10,8 раза?
Відомо: V(CH4,C2H6)=560 мл, DH2(CH4,C2H6)=10,8. Знайти: V(CO2)-?
Розв'язування:
DH2(СН4,С2Н6)=M(СН4,С2Н6)/M(H2), тому M(СН4,С2Н6)/M(H2)=10,8,
звідси M(СН4,С2Н6)=10,8•M(H2)=10,8•2 г/моль=21,6 г/моль.
М(суміші)=φ1М1+φ2М2, де φ1,φ2 -об'ємні частки компонентів газової суміші, М1,М2 - молярні маси компонентів суміші, М(суміші)-середня молярна маса суміші.
M(CH4)=Ar(C)+4•Ar(H)=12+4•1=16 г/моль,
M(C2H6)=2•Ar(C)+6•Ar(H)=2•12+6•1=30 г/моль
Нехай об'ємна частка метану φ(CH4)=х, тоді об'ємна частка етану φ(C2H6)=1-х, підставивши змінні у формулу, отримуємо алгебраїчне рівняння і розв'язуємо його.
21,6 = 16х + 30(1-х)
21,6 = 16х + 30 - 30х
30х - 16х = 30 - 21,6
14х = 8,4
х = 4,4 : 14
х = φ(CH4)=0,6 або,
помноживши це число на 100%, одержимо 60%.
φ(C2H4)=1-0,6 = 0,4 або,
помноживши це число на 100%, одержимо 40%.
Об'ємна частка речовини (φ) - це відношення об'єму речовини до об'єму суміші: φ(речовини)=V(речовини)/V(суміші), звідси V(речовини)=φ(речовини)•V(суміші).
V(CH4) = φ(СН4)•V(суміші)=0,6•560 мл=336 мл= 0,336 л.
V(C4H10)=φ(C4H10)•V(суміші)=0,4•560 мл=224 мл=0,224 л.
Примітка: найкраще знайти об'єм вуглекислого газу з використанням закону об'ємних відношень (закону Гей-Люссака), який вивчатимете через декілька уроків. Наразі розв'язуємо тим способами, що вже вивчили.
Записуємо рівняння реакції горіння метану та етану:
0,336 л х л
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
22,4 л 22,4 л
0,224 л у л
2С2Н6 + 7О2 -> 4СО2 + 6Н2О
44,8 л 89,6 л
Над формулами речовин записуємо дані, що є за умовою задачі.
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння. За н.у. 1 моль газу займає об'єм 22,4 л, тому 2 моль вуглекислого газу займуть у 2 рази більший об'єм, тобто 44,8 л, а 4 моль - у 4 рази більший об'єм, тобто 89,6 л.
Записуємо під формулами речовин у рівняннях реакції.
Пропорція для обчислення об'єму вуглекислого газу, що виділиться при згорянні метану об'ємом 336 л.
0,336 л / 22,4 л = х л / 22,4 л, звідси
х л • 22,4 л = 0,336 л • 22,4 л
х = 0,336 л • 22,4 л : 22,4л
х = V1(CО2)=0,336 л = 336 мл.
Пропорція для обчислення об'єму вуглекислого газу, що виділиться при згорянні етану об'ємом 224 л.
0,224 л / 44,8 л = у л / 89,6л, звідси
у л • 44,8 л =89,6 л • 0,224 л
у = 89,6 л • 0,224 л : 44,8л
у = V2(CО2) = 0,448 л = 448 мл
Обчислюємо сумарний об'єм вуглекислого газу:
V(СO2)=V1(СO2)+V2(СO2)=336 мл + 448 мл = 784 мл.
Відповідь: V(СO2)=784 мл.