Рассчитать в каком количестве вещества содержится

В уроке 8 «Химическое количество вещества и моль» из курса «Химия для чайников» выясним, что такое химическое количество вещества; рассмотрим моль в качестве единицы количества вещества, а также познакомимся с постоянной Авогадро. Напоминаю, что в прошлом уроке «Относительная молекулярная и относительная формульная массы» мы научились вычислять относительную молекулярную массу, а также относительную формульную массу веществ; кроме того, выяснили что такое массовая доля и привели формулу для ее вычисления.

Любое чистое вещество имеет свою химическую формулу, т. е. характеризуется определенным качественным и количественным составом.

Если необходима какая-то порция твердого вещества, то для этого следует взять нужную его массу, т. е. взвесить вещество (рис. 43). Нужный объем жидкого вещества обычно отмеряют с помощью мензурки или мерного цилиндра (рис. 44). Для отбора необходимой порции (объема) газообразных веществ применяют специальные емкости — газометры (рис. 45).

Следовательно, объем и масса — это величины, характеризующие данную порцию вещества.

Химическое количество вещества

В жизни мы часто не различаем понятия «масса» и «количество». А это разные понятия. Когда вы говорите: «Я купил 2 кг груш», то здесь речь идет о массе груш. Но если вы говорите: «Я купил 10 груш», то в этом случае речь идет о количестве груш. Массу вещества измеряют в граммах, килограммах, тоннах, а количество — в штуках.

Груши можно пересчитать поштучно, а если это, например, зерна? Тут уже посчитать каждое зернышко даже в небольшой емкости сложно. Поэтому зерно обычно продают мешками, т. е. определенными порциями. В каждой такой порции — мешке (если они равны по массе и все зерна одинаковы) — будет находиться практически одно и то же число зерен. Подобным образом продают многие товары. Например, яйца — десятками, спички — спичечными коробками, в каждом из которых находится по 45 спичек (рис. 46).

В химической практике, помимо массы или объема, необходимо знать число структурных единиц (атомов, молекул, формульных единиц), которые содержатся в данной порции вещества, поскольку именно они участвуют в химических реакциях. Поэтому в химии, как и в других естественных науках, используют физическую величину, характеризующую число частиц в рассматриваемой порции вещества. Эта физическая величина называется количеством вещества или, как следует называть ее при химических расчетах, — химическое количество вещества.

Химическое количество вещества — физическая величина, пропорциональная числу структурных единиц, содержащихся в данной порции вещества.

Другими словами, химическое количество вещества — это порция данного вещества, содержащая определенное число его структурных единиц. Химическое количество вещества обозначают латинской буквой n. Это одна из семи основных физических величин Международной системы единиц (СИ).

Моль — единица химического количества вещества

Каждая из основных физических величин имеет свою единицу. Например, единица длины — метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (с). Единицей химического количества вещества является моль.

Моль — порция вещества (т. е. такое его химическое количество), которая содержит столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Сокращенное обозначение единицы химического количества записывается, как и полное, — моль. Поэтому, если слово «моль» стоит после числа, то оно не склоняется, так же, как и другие сокращенные единицы величин: 3 кг, 5 л, 8 моль. При чтении вслух и при записи числительного буквами слово «моль» склоняется: три килограмма, пять литров, восемь молей.

На заметку. Термины «молекула» и «моль», как нетрудно заметить, однокоренные. Они действительно произошли от одного и того же латинского слова «moles». Но это слово имеет, по крайней мере, два значения. Первое — «маленькая масса». Именно в этом смысле в XVII в. оно превратилось в термин «молекула». А понятие «моль» (в смысле кучка, порция) появилось значительно позже, в начале ХХ в. Автор этого термина известный немецкий химик и физик Оствальд толковал его смысл как «большая масса», как бы противопоставляя термину «молекула».

Число (N) атомов в порции углерода массой 0,012 кг легко определить, зная массу одного атома углерода (19,94·10-27 кг):

Следовательно, в углероде массой 0,012 кг содержатся 6,02·1023 атомов углерода и эта порция составляет 1 моль. Столько же структурных единиц содержится в 1 моль любого вещества.

Величина, равная:

получила название постоянной Авогадро. Она является одной из важнейших универсальных постоянных и обозначается символом NA:

Единица в числителе дроби (1/моль) заменяет название структурной единицы.

Если структурной единицей вещества (например, меди, углерода) является атом, то в порции этого вещества количеством 1 моль содержатся 6,02·1023атомов. В случае веществ молекулярного строения (вода, углекислый газ) их порции количеством 1 моль содержат по 6,02·1023молекул. Если структурными единицами веществ немолекулярного строения (например, NaCl или CuSO4) являются их формульные единицы, то в порциях этих веществ количеством 1 моль содержатся по 6,02·1023формульных единиц.

На заметку. Численное значение постоянной Авогадро огромно. О том, насколько велико это число, можно судить по следующему сравнению. Поверхность Земли, включая и водную, равна 510 000 000 км2. Если равномерно рассыпать по всей этой поверхности 6,02·1023 песчинок диаметром 1 мм, то они образуют слой песка толщиной более 1 м.

Зная химическое количество n данного вещества Х, легко рассчитать число молекул (атомов, формульных единиц) N(Х) в этой порции:

если 1 моль вещества содержит 6,02·1023 молекул, то n моль вещества содержат N(Х) молекул.

Отсюда:

И наоборот, по числу структурных единиц можно рассчитать химическое количество вещества:

Пример 1. Определите число молекул, содержащихся в серной кислоте химическим количеством 3 моль.

Пример 2. Рассчитайте химическое количество CuSO4 в порции, содержащей 36,12·1023 формульных единиц (ФЕ).

Краткие выводы урока:

1. Химическое количество вещества — физическая величина, пропорциональная числу структурных единиц, содержащихся в данной порции вещества.
2. Моль — единица химического количества вещества, т. е. такое его количество, которое содержит 6,02·1023 структурных единиц.

Надеюсь урок 8 «Химическое количество вещества и моль» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Для расчета массы (объема, количества вещества) продукта реакции, если данные по одному из веществ представлены в виде раствора с определенной массовой долей этого растворенного вещества, следует воспользоваться нижеследующим алгоритмом:

1) Прежде всего следует найти массу растворенного вещества. Возможны две ситуации:

* В условии даны масса раствора и массовая доля растворенного вещества (концентрация). В этом случае масса растворенного вещества рассчитывается по формуле:

* В условии даны объем раствора вещества, плотность этого раствора и массовая доля растворенного вещества в этом растворе. В таком случае следует воспользоваться формулой для расчета массы раствора:

После чего следует рассчитать массу растворенного вещества по формуле 1.

2) Рассчитать количество вещества (моль) участника реакции, масса которого стала известна из расчетов выше. Для этого воспользоваться формулой:

3) Записать уравнение реакции и убедиться в правильности расставленных коэффициентов.

4) Рассчитать количество моль интересующего участника реакции исходя из известного количества другого участника реакции, зная, что количества веществ любых двух участников реакции A и B относятся друг к другу как коэффициенты перед этими же веществами в уравнении реакции, то есть:

Если  в условии требовалось рассчитать количество вещества, то действия на этом заканчиваются. Если же требуется найти его массу или объем, следует переходить к следующему пункту.

5) Зная количество вещества, определенное в п.4, мы можем рассчитать его массу по формуле:

Также, если вещество является газообразным и речь идет о нормальных условиях (н.у.), его объем может быть рассчитан по формуле:

Рассмотрим пару примеров расчетных задач по этой теме.

Пример 1

Рассчитайте массу осадка, который образуется при добавлении к 147 г 20%-ного раствора серной кислоты избытка раствора нитрата бария.

Решение:

1) Рассчитаем массу чистой серной кислоты:

m(H2SO4) = w(H2SO4) ∙ m(р-ра H2SO4)/100% = 147 г ∙ 20% /100%  = 29,4 г

2) Рассчитаем количество вещества (моль) серной кислоты:

n(H2SO4) = m(H2SO4) / M(H2SO4) = 29,4 г/98 г/моль =  0,3 моль.

3) Запишем уравнение взаимодействия серной кислоты с нитратом бария:

H2SO4 + Ba(NO3)2 = BaSO4↓ + 2HNO3

4) В результате расчетов стало известно количество вещества серной кислоты. Осадок представляет собой сульфат бария. Зная, что:

n(BaSO4)/n(H2SO4) = k(BaSO4)/k(H2SO4), где n — количество вещества, а k — коэффициент в уравнении реакции,

можем записать:

n(BaSO4) = n(H2SO4) ∙ k(H2SO4)/k(BaSO4) = 0,3 моль ∙ 1/1 = 0,3 моль

5) Тогда масса осадка, т.е. сульфата бария, может  быть рассчитана следующим образом:

m(BaSO4) = M(BaSO4) ∙ n(BaSO4) = 233 г/моль ∙ 0,3 моль = 69,9 г

Пример 2

Какой объем газа (н.у.) выделится при растворении необходимого количества сульфида железа (II) в 20%-ном растворе соляной кислоты с плотностью 1,1 г/мл и объемом 83 мл.

Решение:

1) Рассчитаем массу раствора соляной кислоты:

m(р-ра HCl) = V(р-ра HCl) ∙ ρ(р-ра HCl) = 83 мл ∙ 1,1 г/мл = 91,3 г

Далее рассчитаем массу чистого хлороводорода, входящего в состав кислоты:

m(HCl) = m(р-ра HCl) ∙ w(HCl)/100% = 91,3 г ∙ 20%/100% = 18,26 г

2) Рассчитаем количество вещества хлороводорода:

n(HCl) = m(HCl)/M(HCl) = 18,26 г/36,5 г/моль = 0,5 моль;

3) Запишем уравнение реакции сульфида железа (II) с соляной кислотой:

FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑

4) Исходя из уравнения реакции следует, что количество прореагировавшей соляной кислоты с количеством выделившегося сероводорода связано соотношением:

n(HCl)/n(H2S) = 2/1, где 2 и 1 — коэффициенты перед HCl и и H2S соответственно

Следовательно:

n(H2S) = n(HCl)/2 = 0,5/2 = 0,25 моль

5) Объем любого газа, находящегося при нормальных условиях, можно рассчитать по формуле V(газа) = Vm ∙ n(газа), тогда:

V(H2S) = Vm ∙ n(H2S) = 22,4 л/моль ∙ 0,25 моль = 5,6 л

На самом деле, понятия «атомистика» не существует, но в интернете стали так говорить, поэтому и я не буду исключением.

Задачи на «атомистику» — это задачи на соотношения частиц (атомов, молекул, ионов и т.д.)  в  гомогенных и гетерогенных системах (растворах, твердых и газообразных смесях). Это могут быть массовые соотношения (например, массовая доля элемента в смеси), мольные соотношения (например, соотношение числа атомов водорода и кислорода или мольная доля), объемные соотношения (объемная доля и др.).

Задачи разделены по уровню сложности: от простых до сложных. А также предлагаю вам порешать задачи на удобрения, в которых без «атомистики» не обойтись. Как показывает моя практика, если вы умеете решать задачи на удобрения, то вы полностью понимаете тему «атомистика».

И, конечно же, после каждой задачи вы найдёте подробные видео-объяснения, а ответы в конце страницы.

1. Простые задачи
2. Задачи средней сложности
3. Сложные задачи
4. Задачи на удобрения
5. Задачи из реального ЕГЭ 2020 на атомистику

Простые задачи

1. Укажите число атомов водорода в одной формульной единице гидросульфита аммония NH4HSO3.

2. Рассчитайте химическое количество азота в порции простого вещества, содержащей 6,02∙1025 молекул.

3. Имеется сосуд, в котором содержится 8,428∙1022 молекул некоторого газа. Укажите объём сосуда (в литрах).

4. Рассчитайте химическое количество (моль) поваренной соли, в которой содержится такое же химическое количество натрия, как и в карбонате натрия химическим количеством 4 моль.

5. В каком объёме (л) бурого газа содержится столько же атомов, сколько и в аргоне объёмом 2 л (объёмы измерены при одинаковых условиях)?

6. Рассчитайте количество (моль) CO2, в котором содержится столько же атомов углерода, сколько их содержится в СО массой 1,4 г.

7. Рассчитайте количество (моль) атомов водорода в аммиаке, объёмом (н.у.) 32,48 л.

8. Укажите объём (л) порции метана СН4 (н.у.), в которой содержится 0,1 моль атомов углерода.

9. Рассчитайте объём оксида азота (IV) (л, н.у.), в котором содержится столько же атомов азота и кислорода в сумме, как и общее число атомов в азотной кислоте массой 56,7 г.

10. Рассчитайте массу (г) порции азотной кислоты, содержащей столько же атомов водорода, сколько в аммиаке объёмом 3,36 л (н.у.).

11. Укажите число атомов водорода в образце дигидата ацетата цинка ((CH3COO)2Zn∙2H2O) массой 131,4 г.

12. Вычислите число атомов в образце фтора (н.у.) объёмом 30,24 дм3.

13. Укажите количество (моль) оксида серы (VI), содержащего столько же атомов кислорода, как и в оксиде серы (IV) массой 76,8 г.

14. Вычислите число атомов азота в порции гидросульфата аммония массой 16,1.

15. Рассчитайте массу (г) соли Na2S, содержащей столько же атомов серы, сколько их содержится в сероводороде массой 48,96 г.

16. Укажите число моль воды в 1 моль кристаллогидрата сульфата натрия с Mr равной 322.

17. Каков объём кислорода (л, н.у.), содержащего столько же атомов кислорода, сколько их содержится в алебастре массой 87 г?

18. Рассчитайте количество (моль) ионов в навеске селенида калия массой 39,25.

19. В порции газа массой 26,4 г содержится 3,612∙1023 молекул. Укажите относительную плотность этого газа по водороду.

20. Вычислите количество (моль) всех анионов, содержащихся в Ca3(PO4)2 массой 372 г.

21. Какое число электронов содержится в образце массой 6,4 г, состоящем из нуклида меди-64?

Задачи средней сложности

22. Образец сплава железа-56 с медью-63 содержит электроны и нейтроны химическим количеством 2,77 моль и 3,21 моль соответственно. Рассчитайте массовую долю (%) меди в сплаве.

23. Какую массу (г) гидросульфата аммония надо добавить к гидросульфиту натрия массой 15,6 г для получения смеси, содержащей равное число атомов водорода и кислорода?

24. Какую массу (г) сульфата натрия следует добавить к сульфиду натрия массой 3,9 г, чтобы в полученной смеси массовая доля натрия стала равной 51,9%?

25. В порции кристаллогидрата сульфата железа (II) содержится 1,204∙1024 атомов железа и 1,3244∙1025 атомов кислорода. Укажите число атомов водорода в данной порции кристаллогидрата.

26. В смеси оксида железа (II) и оксида железа (III) на 4 атома железа приходится 5 атомов кислорода. Вычислите массовую долю (%) оксида железа (II) в такой смеси.

27. Газовая смесь содержит 6,02∙1022 молекул и имеет массу 2,3 г. Укажите относительную плотность этой газовой смеси по кислороду.

28. Для получения бронзы массой 567 г (массовая доля меди 79,01%) использовали минералы медный блеск Cu2S и касситерит SnO2. Укажите общую массу (г) израсходованных минералов, если считать, что минералы не содержали примесей.

29. Образец минерала браунита массой 100 состоит из вещества, формула которого 3Mn2O3∙MnCO3, и примесей, которые не содержат в своём составе металлы. Массовая доля этих примесей 1,5%. Вычислите массу (г) марганца в исходном образце минерала.

30. Одна таблетка биологически активных добавок (БАВ) к пище содержит медь массой 2 мг, где медь находится в форме ацетата меди (II). Укажите массу (г) ацетата меди (II), который поступает в организм за неделю при ежедневном приёме 1 таблетки БАВ.

31. Алюминиевая руда (боксит) состоит из оксида алюминия и других веществ, не содержащих алюминий. Массовая доля алюминия в боксите составляет 21,6%. Вычислите массу (г) оксида алюминия в образце боксита массой 100 г.

Сложные задачи

32. Для анализа смеси массой 3,125 г, состоящей из хлорида калия и бромида калия, её растворили в воде и к полученному раствору добавили раствор нитрата серебра (I) массой 42,5 г с массовой долей соли 20%. В результате чего образовался осадок массой 5,195 г. Рассчитайте массовую долю (%) ионов калия в исходной смеси.

33. Твёрдое вещество массой 116 г, состоящее из атомов железа и кислорода, восстановили избытком углерода при нагревании. После полного завершения реакции получили смесь оксидов углерода общим объёмом 33,6 л с массовой долей кислорода 64%. Рассчитайте массу (г) железа в исходном веществе.

34. Сера, содержащаяся в неизвестном веществе массой 51,2 г, была полностью переведена в соль сульфит натрия массой 100,8 г. Укажите массовую долю (%) серы в неизвестном веществе

35. Массовая доля трёхвалентного металла в смеси, состоящей из его оксида и гидроксида, составляет 45%. Химические количества веществ равны между собой. Укажите молярную массу (г/моль) металла.

36. Укажите число электронов, переходящих к окислителю от восстановителя при полном разложении нитрата хрома и нитрита аммония общим химическим количеством 0,2 моль.

37. Кусочек цинка погрузили в концентрированный раствор гидроксида натрия. В результате образовалась соль массой 1074 г. Рассчитайте химическое количество электронов, которые атомы цинка отдали атомам водорода в результате описанного взаимодействия.

38. При взаимодействии цинка с избытком концентрированного раствора гидроксида калия от атомов цинка к атомам водорода перешло 4 моль электронов. Укажите массу (г) образовавшейся при этом соли.

39. Имеется твёрдый образец массой 291,195 г, содержащий только элементы Cu и O. Этот образец полностью восстановили углеродом, в результате чего получили смесь СО и СО2 объёмом 40,32 л (н.у.) с массовой долей кислорода 65,82%. Рассчитайте массу восстановленной меди.

40. Некоторый металл массой 11,8 г прокалили на воздухе, в результате чего образовалась смесь оксидов массой 16,067 г. Затем эти оксиды растворили в соляной кислоте. Через образовавшийся раствор пропустили газообразный хлор массой 2,345 г, который полностью поглотился. Затем раствор выпарили и получили единственный кристаллогидрат, представляющий собой гексагидрат хлорида металла в степени окисления +3. Рассчитайте массу кристаллогидрата.

41. В карбоновую трубку поместили порошок металла Х массой 15,36 г и пропустили по трубке ток очищенного хлора при нагревании до 700С и повышенном давлении. Через некоторое время металл полностью прореагировал, а в конце трубки накопились коричневые кристаллы вещества Y массой 26,72 г. Длительное нагревание Y в токе водорода приводит к образованию X и газа Z, который при растворении в воде даёт сильную неорганическую кислоту. Вещество Y состоит из пятиатомных молекул, содержащих один атом металла. Укажите химический символ металла X.

42. Имеется вещество, состоящее из атомов четырёх химических элементов. Массовые доли серы, водорода и кислорода соответственно равны 13,4%, 5,03% и 67,04%. Порцию этого вещества массой 71,6 г растворили в воде массой 100 г. Массовая доля воды в полученном растворе составила 77,16%. Затем к полученному раствору добавили избыток раствора нитрата бария. В результате этого образовался осадок массой 69,9 г. Укажите относительную молекулярную (формульную) массу неизвестного элемента, входящего в состав исходного вещества.

43. Имеется смесь оксида кобальта (II), оксида кобальта (III) и оксида кобальта (II, III). Эту смесь массой 0,782 г полностью восстановили водородом, в результате чего было получено твёрдое вещество массой 0,590 г. Эту же смесь массой 1,564 г полностью растворили в бромоводородной кислоте массой 48,6 г с массовой долей растворённого вещества 10%. Рассчитайте максимальную массу кобальта (мг), которую можно ещё растворить в полученном растворе, чтобы в нём содержалась только одна соль.

Задачи на удобрения

44. Потребность редиски в химическом элементе азот составляет в среднем 195 кг/га. Масса аммиачной селитры (кг), которую необходимо внести на 3 га почвы для подкормки редиски азотом, равна

45. Для подкормки растений на 1 м2 почвы необходимо внести азот массой 4,2 г и натрий массой 4,6 г. Укажите массу (г) смеси, состоящей из аммиачной селитры и чилийской селитры, которая потребуется, чтобы растения получили необходимое количество азота и натрия на приусадебном участке площадью 10 м2.

46. При поглощении аммиака объёмом (н.у.) 1,2 м3 азотной кислотой с выходом 86% получено удобрение под названием аммиачная селитра. Учитывая, что для удобрения 1 га почвы необходим азот массой 28 г, рассчитайте количество гектаров, которые можно удобрить, используя полученную селитру.

47. На одном дачном участке использовалось удобрение чилийская селитра массой 136 г, содержащая 6,25% примесей. Рассчитайте массу (г) аммиачной селитры, не содержащей примесей, которую нужно внести на другой такой же по размеру дачный участок, чтобы в почву поступило такое же количество азота, что и на первый дачный участок.

48. Имеется смесь кальциевой селитры и аммофоски (массовая доля оксида фосфора (V) составляет 23%) в таком количестве, чтобы при внесении в почву поступило по 1