Obliczenia stechiometryczne w oparciu o równania reakcji chemicznych

Prawo zachowania masy

R1c99h0oBl1l41

Szkic przedstawia młodego mężczyznę w peruce charakterystycznej dla epoki oświecenia. To Antoine Laurent de Lavoisier. Mężczyzna ma duże oczy, łagodne rysy twarzy i prosty nos. Ubrany jest w ciemną marynarkę, a pod szyją ma zawiązany biały żabot. — Antoine Laurent de Lavoisier [czyt. lawuazjẹ] – twórca prawa zachowania masy
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Do jazdy samochodem z silnikiem spalinowym benzynowym, potrzebna jest benzyna w zbiorniku i tlen z powietrza. Każdy kierowca wie, że kiedy skończy się benzyna – dalej nie pojedzie. Innymi słowy, ilość benzyny określa odległość, na jaką można podróżować. W silniku zachodzi reakcja chemiczna. Podobne sytuacje mają miejsce w innych procesach chemicznych. Np., kiedy zachodzi spalanie pierwiastków w tlenie, gdy zabraknie jednego z reagentów reakcja ustanie. Co istotne, po zakończeniu spalania, masa produktów jest równa masie substratów. Obserwacji takich dokonał Lavoisier. Dysponując precyzyjnie gromadzonymi danymi, doszedł do wniosku, że ilość materii przed eksperymentem i po eksperymencie jest taka sama. Twierdzenie to znane jest w chemii jako prawo zachowania masy.

Polecenie 1

Przeprowadź eksperyment w laboratorium chemicznym. Zbadaj, czy masa produktów jest większa, mniejsza, czy taka sama jak masa substratów, z których powstały? NAstęnie uzupełnij formularz odpowiednimi informacjami.

Ważne!

Pamiętaj o zachowaniu środków ostrożności i wykonywaniu doświadczenia w okularach ochronnych. Przed przystąpieniem do pracy, zapoznaj się z kartami charakterystyk substancji wykorzystanych w doświadczeniu.

Sprzęt laboratoryjny:

waga laboratoryjna;
kolba stożkowa o pojemności $250 {cm}^{3}$ z korkiem;
probówka;
cylinder miarowy;
pipeta.

Odczynniki:

$1 %$ roztwór ${Na}_{2} {SO}_{4}$ ;
$1 %$ roztwór ${CaCl}_{2}$ ;
$1 %$ roztwór ${AgNO}_{3}$ ;
$1 %$ roztwór $NaCl$ .

RAZL6E3f8D7gm

RfQkxtX86AQKP

Instrukcja wykonania doświadczenia dla wybranej pary reagentów:

Do pustej kolby stożkowej dodaj przy pomocy cylindra miarowego $10 {cm}^{3}$ roztworu ${Na}_{2} {SO}_{4}$ .
Do probówki wlej $5 {cm}^{3}$ roztworu ${CaCl}_{2}$ .
Wstaw probówkę do kolby i zatkaj kolbę korkiem.
Zważ układ na wadze laboratoryjnej i zanotuj jego masę.
Przewróć zamkniętą kolbę do góry dnem tak, aby roztwór z probówki znalazł się wewnątrz kolby.
Zanotuj obserwacje.
Zważ zamknięty układ (kolba i probówka wewnątrz) po zakończeniu reakcji chemicznej i zanotuj masę.
Porównaj masę układu przed i po reakcji.
Sformułuj wnioski i zapisz odpowiednie równanie reakcji chemicznej.

Sprawdź, czy Twoje obserwacje, wyniki i wnioski są podobne do poniższych.

Analiza doświadczenia

Reakcje strąceniowe jako ilustracja prawa zachowania masy.

Problem badawczy

Czy masa produktów jest większa, mniejsza, czy taka sama jak masa substratów, z których powstały?

Hipoteza badawcza

Masa produktów jest identyczna z masą użytych substratów.

Obserwacje

Po zmieszaniu roztworów, w kolbie wytrąca się osad. Po zważeniu układu, jego masa jest taka sama jak przed zmieszaniem roztworów.

Wnioski

Na podstawie doświadczenia można stwierdzić, że suma mas substratówsubstratsubstratów przed reakcją chemiczną jest równa sumie mas produktów po zajściu reakcji chemicznej. Hipoteza potwierdziła się.

Równania reakcji chemicznej

{Na}_{2} {SO}_{4} + {CaCl}_{2} \to {CaSO}_{4} ↓ + 2 NaCl

{AgNO}_{3} + NaCl \to AgCl ↓ + {NaNO}_{3}

Symulacja 1

Przeanalizuj poniższą symulację interaktywną. Sprawdź, jak zmieniają się masy substratów i produktów w przedstawionej reakcji chemicznej. W tym celu za pomocą strzałek, które znajdują się nad wzorami związków chemicznych, zmieniaj masy substratów. Następnie rozwiąż ćwiczenia sprawdzające.

RArvvVkTWcP8s

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Polecenie 2

RUE6vJ5a5fuvx

M_{{Al}_{2} S_{3}} = 2 \cdot 23 g + 3 \cdot 32 g = 142 \frac{g}{mol}

Napisz równanie reakcji.

2 Al + 3 S \overset{ogrzewanie}{\to} {Al}_{2} S_{3}

Teraz należy obliczyć, ile glinu potrzeba do otrzymania $20 g$ siarczku glinu.

2 \cdot 23 g Al — 142 g {Al}_{2} S_{3}

x — 20 g

x — 6,47 g Al

Do otrzymania $20 g$ siarczku glinu potrzeba $6,47 g$ glinu.

6,47 g < 10 g

Tak, $10 g$ glinu wystarczy do otrzymania $20 g {Al}_{2} S_{3}$ .

RJ1vIOVMKXJZ9

Ćwiczenie 1

RM9KDquzr7O03

Ćwiczenie 2

Stechiometria chemiczna

Dziedzina chemii, która zajmuje się ilościowym opisem reakcji chemicznych, to stechiometria chemiczna. Dzięki niej można obliczyć liczbę cząsteczek (atomów, jonów, etc.), które biorą udział w reakcji, ilość produktu powstałego w czasie reakcji, ilość reagentów potrzebnych do przeprowadzenia reakcji i wiele innych zależności. Do tych obliczeń niezbędne są uzgodnione równania reakcji chemicznychrównanie reakcji chemicznejrównania reakcji chemicznych i liczne wzory, ale również prawa (chemiczne i fizyczne) oraz znajomość pojęć.

Ra0BLggtUgHm11

Mapa pojęć pt. „Wielkości chemiczne i fizyczne”

Obliczenia stechiometryczne

Dokładna analiza równań reakcji chemicznychrównanie chemicznerównań reakcji chemicznych umożliwia dobór ilości reagentów, co skutkuje otrzymaniem zamierzonego produktu z możliwie najwyższą wydajnością. Aspekt ten jest szczególnie ważny w reakcjach z udziałem katalizatorakatalizatorkatalizatora, gdzie jego odpowiednia ilość wprowadzona do układu reakcyjnego powoduje znaczne skrócenie czasu i otrzymanie większej ilości syntezowanego związku.

StechiometriastechiometriaStechiometria chemiczna jest dziedziną chemii, która zajmuje się ilościowym opisem reakcji chemicznych. Jej założenia umożliwiają obliczanie liczby cząsteczek (atomów lub jonów) biorących udział w reakcji, ilość produktu, jaki powstaje podczas reakcji, ilość reagentówreagentreagentów potrzebnych do przeprowadzenia reakcji i wiele innych zależności. Do tych obliczeń niezbędne są uzgodnione równania reakcji chemicznych i liczne wzory, ale również znajomość pojęć oraz praw chemicznych i fizycznych.

Jaka jest kolejność wykonywania obliczeń na podstawie równań reakcji chemicznych?

Znając elementarne pojęcia i wzory związane ze stechiometrią, można wykonać obliczenia na podstawie równań reakcji chemicznych, a w dalszym etapie – zaplanować eksperyment do wykonania w laboratorium.

Równania reakcji chemicznych są zbliżone do równań matematycznych, tylko zamiast znaku równości występuje strzałka (od substratów do produktów). Dzięki poprawnie dobranym współczynnikom stechiometrycznym (zgodnej liczbie atomów/jonów danego pierwiastka przed strzałką, równej liczbie atomów/jonów tego samego pierwiastka za strzałką) równanie reakcji podaje stosunki ilościowe między reagentami i produktami, umożliwiając wiele praktycznych obliczeń.

W celu poprawnego wykonania obliczeń należy zastosować poszczególne kroki:

Krok $I.$ Zapis równania reakcji chemicznej (zapis jakościowy substratów biorących udział w reakcji oraz tworzących się produktów).

Krok $II.$ Dobór odpowiednich współczynników stechiometrycznych.

Krok $III.$ Oznaczenie danych i szukanych wielkości w równaniu reakcji chemicznej. Ułożenie proporcji, a następnie obliczenie nieznanych wielkości.

Krok $IV.$ Sformułowanie wyniku i odpowiedzi.

Polecenie 2

Spróbuj rozwiązać poniższe ćwiczenie, a następnie zapoznaj się z filmem samouczkiem, aby dowiedzieć się, czy Twoje obliczenia są poprawne.

Ćwiczenie 3

Oblicz liczbę moli, liczbę cząsteczek, masę oraz objętość azotu, który przereaguje z $20 {dm}^{3}$ wodoru. Oblicz procent masowy azotu w otrzymanym produkcie, zakładając, że reakcja zachodzi w warunkach normalnych i ze $100 %$ wydajnością.

R1KbbKciApKXq

RNp66ne4bLdfy

RpYvOKLqWo09n

Film samouczek pt. „Obliczenia na podstawie równań reakcji chemicznych – przykład”
Źródło: Michał Mytnik, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

Oblicz, ile gramów, moli, cząsteczek bromu przereaguje z $82 g$ sodu. Oblicz procent masowy bromu w powstającym bromku sodu. Załóż, że reakcja zachodzi ze $100 %$ wydajnością.

R1K1y2Pm0uqDD

RECYOAs1CvRLx

Krok $1$

Wypisz dane, szukane oraz zapisz równanie reakcji chemicznej. W układzie okresowym odszukaj masy molowe pierwiastków.

Dane:

$m_{Na} = 82 g$

$M_{Na} = 23 \frac{g}{mol}$

$M_{{Br}_{2}} = 160 \frac{g}{mol}$

Szukane:

$m_{Br} = ?$

$N_{{Br}_{2}} = ?$

$n_{{Br}_{2}} = ?$

$% (\frac{m_{Br}}{m_{NaBr}}) = ?$

Równanie reakcji (przed uzgodnieniem współczynników reakcji):

Na + {Br}_{2} \to NaBr

Krok $II$

Uzgodnij współczynniki stechiometryczne w równaniu.

2 Na + {Br}_{2} \to 2 NaBr

Krok $III$

Korzystając z równania reakcji chemicznej, oblicz, ile gramów bromu przereaguje z $82 g$ sodu.

2 \cdot 23 g Na — 160 g Br

82 g Na — x

x = \frac{82 g \cdot 160 g}{46 g} = 285 g

Oblicz liczbę moli bromu:

1 mol {Br}_{2} — 160 g

y — 285 g

y = \frac{1 mol \cdot 285 g}{160 g} = 1,78 mol

Oblicz liczbę cząsteczek bromu:

1 mol — 6,02 \cdot 10^{23}

cząsteczek

1,78 mol — z

z = \frac{6,02 \cdot 10^{23} \cdot 1,78 mol}{1 mol} = 1,07 \cdot 10^{24}

cząsteczek

Oblicz zawartość procentową bromu w otrzymanym związku.

Aby obliczyć zawartość procentową danego pierwiastka w związku chemicznym, należy ułożyć następującą proporcję:

M_{NaBr} — 100 %

M_{Br} — w

103 g NaBr — 100 %

80 g Br — w

w = \frac{80 g \cdot 100 %}{103 g} = 77,67 %

Krok $IV$

Zapisz odpowiedź.

Z $82 g$ sodu przereaguje $285 g$ bromu, czyli $1,78$ mola lub $1,07 \cdot 10^{24}$ cząsteczek bromu. Brom stanowi $77,67 %$ masy otrzymanego związku.

Polecenie 3

Jak sprawnie wykonujesz obliczenia na podstawie równań reakcji chemicznych? Zagraj w poniższą grę planszową, a następnie rozwiąż ćwiczenia. Aby wylosować pytanie, kliknij na ikonę kostki do gry. Do dyspozycji masz układ okresowy pierwiastków, a na polach oznaczonych gwiazdkami czekają niespodzianki w postaci ciekawostek i wskazówek. W trybie jednoosobowym Twoim celem jest dotarcie do mety z jak największą ilością punktów. W każdym zadaniu, za prawidłową odpowiedź otrzymasz jeden punkt, zaś za nieprawidłową go utracisz. Nie martw się jednak! W niektórych przypadkach, po udzieleniu złej odpowiedzi otrzymasz podpowiedź oraz możliwość poprawy. Grając z kolei w trybie dwuosobowym, wygrywa osoba, która, osiągając metę, zdobędzie największą ilość punktów. Rzucacie kostką na zmianę. W tym wypadku również albo otrzymujesz jeden punkt za każdą prawidłową odpowiedź, albo go tracisz, jeśli odpowiedź będzie zła. W tym trybie gry nie otrzymujecie podpowiedzi. Powodzenia!

R1L2pV6wINxIq

Gra edukacyjna pt. *Obliczenia na podstawie równań reakcji chemicznych*
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 5

Odpowiedz na pytania.

R1eRNGunjdjmT

R1eiywhx04QII

R1RduTgc8UrEy

RCJqzVYhoLySr

RDJthLoj4wOsJ

RC4EKAgR63NDJ

R1VGBZIRtlDrU

Rlo5jsmLnE3ms

R14YxKEOXZY41

R1GiSqDfTldYZ

R1WQMbtx0aZ9d

R1bNueCZ0RaMR

RNhVlvlBE5aag

RwutOOCAIaYpW

RCeXEVgWb0UfP

R1MseSsRI91Yp

RvKRW6A0TAi73

R1Cdarszi4TeD

Riexm9M6YhSOB

RSrprhUaj9ibw

RkrjOse3E6UFQ

RDmthygway1En

RJBl1ByMuO8zs

R1VZbUCEfoM3x

Ćwiczenie 5

Ćwiczenie 6

Oblicz, ile moli tlenku glinu powstanie w reakcji $6$ moli glinu z $3,75$ molami tlenu.

4 Al + 3 O_{2} \to 2 {Al}_{2} O_{3}

R1H8OTkeq4NBM

R5bBQktiRHddz

Należy obliczyć, jaki substrat w reakcji został użyty w nadmiarze.

4 mole Al — 3 mole O_{2}

x — 3,75 mola O_{2}

x = 5 moli Al

Z obliczeń wynika, że glin występuje w nadmiarze. Dlatego dalsze obliczenia wykonujemy względem tlenu.

3 mol O_{2} — 2 mol {Al}_{2} O_{3}

3,75 mola O_{2} — x

x = \frac{2 mole \cdot 3,75 mole}{3 mole}

x = 2,5 mola

W reakcji powstanie $2,5 mola$ tlenku glinu.

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Interpretacja jakościowa i ilościowa równań reakcji chemicznych z użyciem pojęcia mol

Obliczenia wydajności reakcji chemicznych