Przeczytaj

bg‑azure

Stechiometria

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.

Masa cząsteczkowa określa masę pojedynczej cząsteczki, wyrażana jest w unitach ( $u$ ). Dla określonego związku wyznacza się ją poprzez zsumowanie mas atomów wchodzących w jego skład.

Liczba Avogadra ( $N_{A}$ ) to stała, która określa liczbę drobin (cząsteczek, jonów, atomów) zawartych w $1$ molu.

N_{A} = 6,02214076 \cdot 10^{23}

Mol to jednostka liczności (ilości) materii (podstawowa w układzie SI). Jeden mol zawiera dokładnie $6,02214076 \cdot 10^{23}$ indywiduów chemicznych. Z kolei z pojęciem mola wiąże się znajomość dwóch wzorów:

n = \frac{N}{N_{A}}

oraz

n = m \cdot M

gdzie:

$n$ – liczba moli;
$N$ – liczba drobin (cząsteczek, jonów, atomów);
$m$ – masa substancji wyrażona w gramach;
$M$ – masa molowa wyrażona w $\frac{g}{mol}$ .

Masa molowa ( $M$ ) określa $V_{mol}$ masę jednego mola indywiduów chemicznych (substancji) wyrażoną w gramach. Przykładowo, masa atomowa potasu wynosi $39 u$ , a jego masa molowa $39 \frac{g}{m}$ .

Objętość molowa ( $V_{mol}$ ) jest objętością gazu odmierzonego w warunkach normalnych (dla $T = 273 K (0 ° C)$ oraz $p = 1013 hPa$ ). Dla gazów rzeczywistych w warunkach normalnych wynosi ona $22,4 {dm}^{3}$ .

n = \frac{V}{V_{mol}}

gdzie:

$n$ – liczba moli;
$V$ – objętość gazu;
$V_{mol}$ – objętość molowa gazu.

Dla gazów, które występują w innych parametrach ciśnienia i temperatury niż warunki normalne, objętość jednego mola tych gazów ulega zmianie. Wówczas obliczenie objętości tych gazów jest możliwe dzięki zastosowaniu równania Clapeyrona:

p V = n R T

gdzie:

$p$ – ciśnienie gazu wyrażone w $Pa$ lub $hPa$ ;
$V$ – objętość gazu wyrażona w $m^{3}$ lub ${dm}^{3}$ ;
$n$ – liczba moli gazu;
$T$ – temperatura gazu wyrażona w $K$ ;
$R$ – stała gazowa wynosząca $8,31 \frac{J}{mol \cdot K}$ lub $8,31 \frac{hPa \cdot {dm}^{3}}{mol \cdot K}$

bg‑azure

Jaka jest kolejność wykonywania obliczeń na podstawie 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.

bg‑gray1

Ćwiczenie

Ćwiczenie 1

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

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

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.

Słownik

równanie chemiczne

zapis reakcji chemicznej w postaci równania, którego lewą stronę stanowią chemiczne wzory cząsteczek (i/lub symbole atomów) substancji wyjściowych (substratów), a prawą – substancje końcowe (produkty) reakcji

katalizator

(gr. katalysis „rozkład”) substancja, która zwiększa szybkość reakcji chemicznej, nie naruszając stanu końcowej równowagi i właściwości termodynamicznych układu; pozostaje w stanie niezmienionym po zakończeniu reakcji; katalizator bierze udział w reakcji chemicznej, ale nie ulega zużyciu w jej trakcie

stechiometria

dział chemii, który zajmuje się ilościowymi stosunkami reagujących ze sobą pierwiastków i związków chemicznych oraz metodami obliczania tych stosunków

reagent

reagentami mogą być cząsteczki, atomy, jony, a w przypadku reakcji fotochemicznych – także fotony; reagentami są zarówno substraty, jak i produkty reakcji chemicznej

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.

Wprowadzenie

Film samouczek

Stechiometria

Jaka jest kolejność wykonywania obliczeń na podstawie reakcji chemicznych?

W celu poprawnego wykonania obliczeń należy zastosować poszczególne kroki:

Ćwiczenie

Słownik

Bibliografia