Избыток и недостаток реагентов

Смешали 4 г водорода и 32 г кислорода и подожгли. Вода образовалась, но не вся смесь превратилась в неё: 2 г водорода остались на весах. Наивный расчёт «сложи массы, переведи в продукт» здесь ломается, потому что реагенты соотносятся по уравнению в моль, а не в граммах. На один моль кислорода нужно два моль водорода, а кислорода тут всего один моль — он и закончится первым, несмотря на солидные 32 грамма. Умение находить того, «кого меньше», — ключ ко всем расчётным задачам второй части экзамена: почти каждая из них даёт неравные количества исходных веществ.

Как найти того, кто закончится первым

Правило одно: сравнивай не массы, а количества вещества с учётом коэффициентов. Каждое данное количество делим на коэффициент перед веществом в уравнении — получаем число «порций». У кого порций меньше, тот и в недостатке: он прореагирует полностью и определит количество продукта. Второе вещество останется в избытке, и его остаток считается отдельно: было минус прореагировало. Граммы, литры газов, объёмы растворов — всё это лишь входные данные, которые сначала переводятся в моль.

Задачи с избытком узнают по формулировкам: «смешали… и…» с двумя данными по исходным веществам, «одно из веществ взято в избытке», вопросы про остаток — «какая масса вещества осталась», «какой объём газа не прореагировал». Если в условии дано ровно одно исходное вещество, избытка нет, и расчёт идёт по нему. Третий признак — вопрос о массовой доле вещества в растворе после реакции: без таблицы «было — прореагировало — осталось» такие задачи не решаются.

Проверим на числах. Смешали 4,8 г магния и 6,4 г кислорода, реакция 2Mg + O2 → 2MgO. Магния 4,8 : 24 = 0,2 моль, кислорода 6,4 : 32 = 0,2 моль. Делим на коэффициенты: магний 0,2 : 2 = 0,1, кислород 0,2 : 1 = 0,2. Магний в недостатке — значит, оксида выйдет 0,2 моль, то есть 8 г. Кислорода прореагирует 0,1 моль, останется 0,1 моль или 3,2 г. Проверка балансом масс: 4,8 + 6,4 = 11,2 и 8 + 3,2 = 11,2 — сходится, задача решена верно.

Перевод объёма газа в моль всегда один: при нормальных условиях 22,4 л на моль. Из него следует удобное следствие для сравнения: если в задаче даны литры газов, сначала проверь, не стехиометрическая ли это пропорция. Взяли 11,2 л водорода и 5,6 л кислорода — это ровно 0,5 и 0,25 моль, отношение 2:1, и здесь нет ни избытка, ни недостатка: вся смесь прореагирует без остатка. Такие «ровные» данные — не ловушка, а подарок: остаток будет нулевым.

Ещё пример со взвешенными порциями. Смешали 20,8 г хлорида бария и 14,2 г сульфата натрия. Хлорида бария 20,8 : 208 = 0,1 моль, сульфата натрия 14,2 : 142 = 0,1 моль — соотношение стехиометрическое, оба израсходуются полностью, и осадка сульфата бария выйдет 0,1 моль, то есть 23,3 г. Теперь изменим условие: сульфата взяли 28,4 г, то есть 0,2 моль. На 0,1 моль хлорида нужно всего 0,1 моль сульфата — в избытке оказался сульфат, останется 0,1 моль, а осадка всё равно выйдет 0,1 моль, 23,3 г. Количество продукта не изменилось: его диктует недостаток.

Газы: литры считаются по-особенному

Для газов при одинаковых условиях действует закон Авогадро: равные объёмы содержат равные числа молей. Поэтому объёмы газов можно делить на коэффициенты уравнения напрямую. Метан горит по уравнению CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Взяли 20 л метана и 30 л кислорода: 20 : 1 = 20, 30 : 2 = 15 — кислород в недостатке. Продукта выйдет 15 л углекислого газа, метана сгорело 15 л, осталось 5 л. Нюанс: если вода в продуктах жидкая, из газового объёмного баланса её исключают — баланс считают только по газам.

Разбери растворную задачу с числами. К 200 г соляной кислоты с массовой долей 7,3% добавили 8 г магния. Чистой кислоты 200 · 0,073 = 14,6 г, это 0,4 моль; магния 8 : 24 ≈ 0,33 моль. По уравнению Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 делим на коэффициенты: магний 0,33 : 1 = 0,33, кислота 0,4 : 2 = 0,2 — кислота в недостатке. Водорода выйдет 0,2 моль, то есть 4,48 л; магния прореагирует 0,2 моль, останется 0,13 моль или примерно 3,2 г. Два действия, и ни одно не требует догадок.

Растворы и промышленный избыток

В задачах с растворами сначала вычисли массу чистого вещества: умножь массу раствора на массовую долю. Дальше работай как обычно: моль, коэффициенты, недостаток. В промышленности избыток часто делают намеренно: дешёвый реагент берут с запасом, чтобы полнее потратить дорогой. При обжиге руд воздух подают с большим избытком, при растворении металлов кислоту наливают больше расчётного. Обратный приём тоже существует: если продукт ценнее, избыток дают дорогому реагенту, а дешёвый расходуют полностью. В любой формулировке логика расчёта не меняется — считай по тому, кто заканчивается. Поэтому фраза «одно вещество взято в избытке» в условии — это подсказка: её дают, чтобы уберечь тебя от лишней проверки.

Отдельный источник избытка — вода как среда. Когда металл бросают в раствор, воды там на порядки больше, чем соли, и для активных металлов она сама становится реагентом. Отсюда правило: щелочные и щелочноземельные металлы в растворах солей реагируют прежде всего с водой, а продукты этой реакции дальше работают по классическим схемам обмена. Пропустишь воду — получишь совершенно неверный продукт и потеряешь задачу целиком. Поэтому в ответе на такую задачу первым действием пишут реакцию с водой: это выглядит как перестановка, но это химия, а не хитрость.

Комбинированная задача выглядит так: даны два реагента в неравных количествах и выход продукта. Порядок решения жёсткий: сначала недостаток и теоретическое количество продукта, и только затем применение выхода. Если перепутать порядок и применить выход к одному из реагентов, откорректируешь не то вещество и получишь неверный ответ. Потренируй связку на простом примере: из 8 г кислорода и 4 г водорода теоретически выйдет 0,5 моль воды, а с выходом 80% — 0,4 моль, то есть 7,2 г.

Недостаток#

вещество, которое заканчивается первым и определяет количество продукта

Избыток#

вещество, часть которого остаётся после реакции

Стехиометрическое соотношение#

соотношение моль реагентов по уравнению

Лимитирующий реагент#

другое название недостатка: он ограничивает количество продукта

Массовая доля#

отношение массы растворённого вещества к массе раствора

Что дальше: расчётная задача 34 на экзамене почти всегда комбинирует избыток с выходом продукта — сначала находишь того, кто закончился, потом корректируешь на долю выхода. Проверяй себя балансом масс: он бесплатно ловит половину арифметических ошибок. Отработай оба приёма вместе на задачах тренажёра, а затем переходи к качественным реакциям: там расчётов меньше, зато наблюдений больше.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема