Привет, любители химии! В этой статье попытаемся разобраться с материальным балансом: что это вообще такое, как правильно его составлять, а самое главное, как с его помощью решать химические задачки. Тема будет разбита на 3 части, в первой будем разбираться на примере фрагмента нетривиальной задачи про равновесие из сборника «Очень нестандартные задачи по химии», во второй рассмотрим равновесия реакций комплексообразования в воде, а так же узнаем, что такое мольная доля комплекса, и как она рассчитывается. Наконец, в завершение темы разберём кусочек задачки про экстракцию, которая предлагалась в первом туре Международной Менделеевской олимпиады в 2022 году, чтобы вы не смущались, когда в задаче две фазы. Материальный баланс вещь универсальная, работает и в этом случае. Приятного чтения!
Полезные ссылки:
🔗Как решать 33 задачу?
🔗Периодический закон и периодическая система элементов
🔗Разбираемся с реакцией Гофмана
Умение составлять материальных баланс в задачах, безусловно, навык важный. Давайте попытаемся ответить на вопрос, а что же это такое? По сути это отражение фундаментального закона сохранения массы вещества в терминах химических реакций. Сформулировать это можно так, что число атомов данного типа в изолированной системе постоянно. Здесь же можно сформулировать и закон сохранения заряда: в закрытой системе общее число положительных зарядов равно общему числу отрицательных зарядов.
В задачах же обычно нам известны начальные концентрации/массы реагентов, вступивших в реакцию. В связи с этим в системах постоянного объёма (а в наших школьных задачах по химии обычно так) уравнение материального баланса удобнее всего записать в виде равенства начальной и равновесных концентраций соответствующих форм вещества. Теперь подробнее разберемся с этим на примере следующей задачки:
Мы сейчас не будем решать её полностью, сделаем это в следующий раз, но на её примере нам станет понятно, что же нужно для правильного составления материального баланса. Во-первых, нужно записать уравнения реакций, протекающих в системе, без этого никак. В нашей задаче это достаточно простые уравнения, поэтому мы без труда справимся с этим пунктом:
В начальный момент времени у нас в системе присутствуют два вещества: терефталевая кислота и спирт. Мы их смешаем, начнется реакция, и после установления равновесия уже будут моно- и диэфир терефталевой кислоты, вода, а также оставшиеся кислота и спирт. Как нам связать между собой равновесные концентрации всех этих веществ? И вот здесь на сцену выходит наш горячо любимый материальный баланс. Давайте запишем его для терефталевой кислоты, тут всё очень просто:
И что тут написано в итоге?
Давайте попробуем разобраться на примере шаров. Посмотрим на картинку ниже:
Красный маленький кружочек - это кислый атом водорода терефталевой кислоты, их у нас 2, а зеленый маленький кружочек - это ОН-группа спирта. Большой чёрный кружок - это остов терефталевой кислоты, который не будет меняться в ходе реакции, большой синий - остов спирта соответственно(С2Н5, если угодно). Мы будем следить за чёрным кружочком, так как в ходе процесса он не претерпевает изменений. До начала реакции у нас было 5 молекул терефталевой кислоты. Как видно из рисунка, 3 молекулы терефталевой кислоты прореагировали с 3 молекулами спирта с образованием моноэфира. Уже на этом этапе можно убедиться, что число черных шаров не меняется (2 молекулы терефталевой кислоты не прореагировали, а 3 стали моноэфиром, в итоге как было 5, так и осталось). Дальше 2 молекулы моноэфира реагируют с 2 молекулами спирта с образованием 2 молекул диэфира (1 молекула моноэфира остаётся без изменения).
И что мы получили?
Исходные 5 молекул терефталевой кислоты распределились между 2 молекулами исходной кислоты, 1 молекулой моноэфира и 2 молекулами диэфира. В итоге как было 5 молекул исходной кислоты, так и осталось, но несколько в другом виде. Теперь давайте запишем это на языке концентраций, поскольку объём системы не меняется (можно записать и через количество вещества).
В первом выражении слева стоит начальная концентрация терефталевой кислоты, а в правой части написаны концентрации всех равновесных форм, между которыми распределяется начальная концентрация. Какая-то часть не прореагирует со спиртом и останется в виде кислоты, другая часть прореагирует лишь до моноэфира, а часть моноэфира может дальше прореагировать до диэфира.
Надеюсь, что материальный баланс стал для нас всех чуточку ближе) и вы в ходе решения задач будете активно им пользоваться, ведь это на самом деле очень хороший инструмент. Спасибо за просмотр, подписывайтесь на канал, здесь будет много полезной информации, до скорого!
Полезные ссылки: готовимся к ЕГЭ-2026, как решать 33 задачу?Периодический закон и периодическая система элементов
Разбираемся с реакцией Гофмана