利用互動程式,理想氣體的體積與摩爾數的關係。
改變甲烷的摩爾數 \(n\ce{(CH4)}\) 和氧的摩爾數 \(n\ce{(O2)}\),以設定兩種氣體的初始體積。利用模擬程式,觀察各反應物的反應體積、剩餘體積和生成的二氧化碳氣體的體積。
為甚麼生成的水的體積,不能直接通過氣體的摩爾體積進行計算?
在實際生產和生活中,若提供的反應物是固體,通常以質量為單位;若提供的反應物是氣體,通常以體積為單位。因此,涉及氣體體積的限量反應物的運算,與涉及物質質量的限量反應物的運算,十分相似。
用一氧化碳還原氧化鐵(III) 的反應式如下。
\[\ce{Fe2O3 (s) + 3CO (g) -> 2Fe (s) + 3CO2 (g)}\]現用 \(4.60 \text{ dm}^3\) 一氧化碳還原 \(7.98 \text{ g}\) 氧化鐵(III),最多能得到多少克鐵?(常溫常壓下,氣體的摩爾體積 \(= 24 \text{ dm$^3$ mol$^{−1}$}\))
題解:
寫出反應式。
\[\ce{Fe2O3 (s) + 3CO (g) -> 2Fe (s) + 3CO2 (g)}\]計算所提供的各種反應物的摩爾數。
\[\begin{align} {n(\ce{CO})} & = \frac{4.60 \text{ dm}^3}{24 \text{ dm$^3$ mol$^{−1}$}} \\ & = 0.192 \text{ mol} \\\\ {n(\ce{Fe2O3})} & = \frac{7.98 \text{ g}}{(2 \times 55.8 + 3 \times 16.0) \text{ g mol$^{-1}$}} \\ & = 0.0500 \text{ mol} \end{align}\]由化學反應式可知,氧化鐵(III)與一氧化碳的摩爾比 = \(1:3\),因此,若 \(0.0500 \text{ mol}\) 氧化鐵(III) 完全反應,所需一氧化碳的摩爾數為
\[\begin{align} {n'(\ce{CO})} & = 3 \times 0.0500 \text{ mol} \\ & = 0.150 \text{ mol} \end{align}\]實際提供的 \(n(\ce{CO}) = 0.192 \text{ mol} > 0.150 \text{ mol}\),因此,\(\ce{CO}\) 過量,氧化鐵(III) 是限量反應物。
由限量反應物——氧化鐵(III)的摩爾數,計算生成的鐵的摩爾數。
由化學反應式可知,氧化鐵(III)與一氧化碳的摩爾比 = \(1:2\)
將鐵的摩爾數,換算成質量。
\[\begin{align} {m(\ce{Fe})} & = n(\ce{Fe}) \times M(\ce{Fe}) \\ & = 0.0100 \text{ mol} \times 55.8 \text{ g mol$^{-1}$} \\ & = 5.58 \text{ g} \end{align}\]\(\therefore \;\) 用 \(4.60 \text{ dm}^3\) 一氧化碳還原 \(7.98 \text{ g}\) 氧化鐵(III),最多能得到 \(5.58 \text{ g}\) 鐵。