|
بخش اول
واکنشهای شیمیایی و استوکیومتری
|
| |
|
واکنشهای شیمیایی را می توان به صورت معادله هایی نوشت و در آن از نمادهای شیمیایی عنصرها برای نمایش دادن آنها استفاده کرد. بر طبق قانون پایستگی جرم تعداد اتمهای هر عنصر باید در دو طرف معادله یکسان باشد یعنی معادله باید موازنه باشد.
|
|
موازنه کردن معادله یک واکنش شیمیایی
|
|
برای موازنه کردن یک معادله ی شیمیایی بایستی ضرایب مناسبی برای واکشن دهنده ها و فرآورده ها انتخاب کرد تا تعداد اتمهای هر عنصر در دو طرف معادله واکنش برابر شود. برای این منظور چنین عمل می کنیم:
1- ابتدا معادله ی واکنش را با استفاده از نمادها و فرمولهای شیمیایی می نویسیم.
2- ترکیبی را که بیشترین تعداد اتم را دارد انتخاب کرده و موازنه را از عنصری در این ترکیب آغاز می کنیم که بیشترین تعداد اتمها را دارد. این عنصر نباید H یا O باشد.
3- ابتدا اتمهای H و سپس O را موازنه می کنیم.
4- مراحل ۲ و ۳ را تکرار می کنیم تا تعداد اتمهای هر عنصر در دو طرف معادله برابر باشد.
5- بر طبق قرارداد ضرایب بکار رفته در معادله واکنش بایستی کوچکترین عدد صحیح (غیرکسری ) باشند.
در مورد یونهای چند اتمی مانند ،PO4-2 , SO4-2 وغیره باید آنها را به صورت یک مجموعه یا ترکیب در نظر گرفت مثلاً تعداد کل بنیان4-2 SO را در دو طرف موازنه می کنیم.
|
|
تمرین :
|
|
معادله واکنش زیر را موازنه کنید.
C4H10 + O2 ---> Co2 + H2
ابتدا C4H10 را برای شروع موازنه انتخاب می کنیم چون بیشترین تعداد اتم را داراست.
برای موازنه C ضریب 4 را برای CO2 قرار میدهیم . برای موازنه H ضریب 5 را برای H2O قرار میدهیم.
C4H10 + HO2 ---> 4Co2 + 5H2O
حال در طرف راست 13 اتم O داریم . پس برای O2 در چپ ضریب 2/13 را قرار می دهیم.
C4H10 + ۱۳/۲ O2 ---> 4Co2 + 5H2O
حالا کل ضرایب را در ۲ ضرب می کنیم که ضریب کسری نداشته باشیم.
۲C4H10 +۱۳ O2 ---> ۸Co2 ۱۰+H2O
|
|
تمرین :
|
|
معادله واکنش زیر را موازنه کنید.
FeCL2 + AgNO3 ---> Fe(NO3)2 + AgCl
موازنه را از بنیان چند اتمی No3 شروع می کنیم و ضریب ۲ را برای AgNo3 در سمت چپ قرار می دهیم.
FeCL2 + 2 AgNO3 ---> Fe(NO3)2 + AgCl
حال برای آنکه Ag در دو طرف موازنه باشد ضریب ۲ را برای AgCL در سمت راست قرار می دهیم.
FeCL2 + 2 AgNO3 ---> Fe(NO3)2 +2 AgCl
|
|
انواع واکنشهای شیمیایی به پنج دسته تقسیم می شوند.
|
|
واکنش ترکیبی:
واکنشی است که در آن دو یا چند ماده با هم ترکیب شده و مواد جدیدی تولید می کنند
(2H2(g)+ O2(g) ---> 2 H2O (L
واکنش سوختن :
واکنشی است که در آن یک ماده به سرعت با گاز اکسیژن ترکیب شده و مقدار زیادی انرژی به صورت نور و گرما آزاد می شود.
(انرژی)2 Mg(S)+O2 (g) ---> 2 MgO (S) + q
واکنش تجزیه:
واکنشی است که در آن ماده با صرف انرژی به مواد ساده تر تبدیل می شود.
(2KCLO3(S) ---> 2KCL (S)+ 3O2(g
واکنش جابجایی یگانه:
واکنشی است که در آن یک عنصر یون جایگزین عنصر یا یون دیگری در ترکیب می شود.
(Zn(S) + 2 AgNO3(aq) ---> Zn(NO3)2(aq)+ Br2(l
واکنش جابجایی دو گانه:
واکنشی است که در آن جای دو عنصر در دو ترکیب با هم عوض می شود.(مانند واکنشهای رسوبی )
Zn Br2 (ag)+ 2AgNO3(ag) ---> 2 AgBr(S)+ Zn(NO3)2
|
|
استوکیومتری
|
|
استوکیومتری بخشی از شیمی است که با ارتباط های کمی بین مقدار مواد شرکت کننده در واکنشهای شیمیایی دهنده ها و فرآورده ها) سرو کار دارد. این روابط شامل روابط وزنی ، مولی ، حجمی و به طور کلی نسبت مقدار عنصرها و ترکیبها در یک واکنش می شود.
|
|
روابط مولی – مولی در محاسبه های استوکیومتری
استوکیومتری فرمولی
|
|
فرمول شیمیایی هر ترکیب نشان دهنده ی نوع و تعداد اتمهای تشکیل دهنده ی آن است. بنابراین می توان نسبت تعداد اتمهای (یا مولهای) هر ترکیب را از روی فرمول شیمیایی آن نوشت . به عنوان مثال برای H2O می توان نوشت :
|
تعداد اتمهای H در یک مولکولH2O
تعداد اتمهای O در یک مولکولH2O
|
=
|
تعداد مولهای H در یک مول H2O
تعداد مولهایO در یک مول H2O
|
|
|
ادامه بخش اول
استو کیومتری واکنش
|
|
یک معادله ی موازنه شده ، رابطه ی کمی بین شمار ذره های واکنش دهنده ها و فرآورده ها را نشان می دهد.
از روی ضریب مواد در معادله موازنه شده می توان دریافت که مواد با چه نسبتهای مولی با هم واکنش می شوند. مثلاً برای معادله زیر می توان گفت که به ازای هر مول O2 ،م 2 مول H2 مصرف شده و ۲ مول H20 تولید شده است.
2H2 + O2 ---> 2H2O
|
|
مثال :
|
|
از واکنش 5/3 مول NaOH و مقدار کافی H3PO4، چند مول Na2HPO4 مطابق واکنش زیر بدست می آید؟
NaOH + H3PO4 ---> Na2HPO4 + 2H2O
|
|
1/5mol Na2HPO4
|
=
|
1mol Na2HPO4
2mol Na2OH
|
×
|
3/0 mol NaOH
|
=
|
molNa2HPO4
|
پاسخ
|
|
|
روابط جرمی – جرمی در محاسبه های استوکیومتری
|
|
در اغلب مسائل جرم مواد بر حسب گرم آنها داده می شود. در این موارد ابتدا جرم را با دانستن جرم مولی به مول تبدیل می کنیم و بعد با استفاده از ضرایب تبدیل مناسب، تعداد مول خواسته شده در مسئله را محاسبه می کنیم. اگر جرم ماده را خواسته باشند دوباره این مول را به جرم تبدیل می کنیم.
مثال :
چه جرمی از اکسیژن برای واکنش کامل با 1/96 g گاز پروپان C3H8 لازم است ؟
(C3H8 (g) + 5 O2(g) ---> 3 CO2 (g) + 4 H2O (g
C3H8 =44/09g.mol -1 و O2 = 32/0 mol-1
پاسخ :
ابتدا مولهای پروپان را محاسبه می کنیم (با استفاده از جرم مولی پروپان)
|
2/18 molC3H8
|
=
|
|
×
|
96/1 g C3H8
|
=
|
Mol C3H8
|
|
10/9 molO2
|
=
|
|
×
|
2/18 mol C3H8
|
=
|
Mol O2
|
با استفاده از جرم مولی O2 ، جرم اکسیژن را بر حسب گرم محاسبه می کنیم.
|
349gO2
|
=
|
|
×
|
10/9 mol O2
|
=
|
gO2
|
|
|
خواص مواد
|
|
مواد مورد استفاده در آزمایشگاه یا صنعت کاملاً خالص نیستند و معمولاً ناخالصی به همراه دارند. با وارد کردن درصد خلوص در محاسبه ها می توان مقادیر مورد نیاز از ماده ی ناخالص را محاسبه کرد.
جرم مورد نیاز از ماده ی خالص = درصد خلوص × جرم مورد نیاز از ماده ناخالص
مثال : اگر بخواهیم مقدار ۲/۳۴ گاز C2H2 را از واکنش میان CaC2(S) و آب کافی بدست آوریم چند گرم CaC2(S) ناخالص با درصد خلوص ۷۵ % نیاز داریم؟
(CaC2(S) + 2H2O(L) ---> Ca(OH)2(aq)+ C2H2(g
(CaC2 = 64/1 g.mol-1 و C2H2 = 26 g.mol-1)
|
0/09 molC2H2
|
=
|
|
×
|
2/34 g C2H2
|
=
|
mol C2H2
|
پاسخ
|
|
0/09 mol CaC2 خالص
|
=
|
|
×
|
0/09mol C2H2
|
=
|
mol CaC2 خالص
|
پاسخ
|
|
5/77gcac2
|
=
|
|
×
|
0/09molCaC2 خالص
|
=
|
g CaC2 خالص
|
پاسخ
|
|
7/69 cac2 ناخالص
|
=
|
|
(100g cac2ناخالص)
|
|
75 g cac2 خالص
|
|
×
|
5/77 g cac2 خالص
|
=
|
g CaC2 ناخالص
|
پاسخ
|
|
|
روابط حجمی گازها در محاسبه های استوکیومتری
|
|
در فشار و حجم ثابت یک مول از گازهای مختلف حجم ثابت و برابری دارند. همانطور که می دانید حجم گازها تابعی از فشار و دما است در شرایط STP (دما ْ 0 C و فشار 1 atm) هر مول گاز حجمی برابر L۲۲/۴ اشغال می کند.
در حل بعضی مسایل استوکیومتری گازها می توان با استفاده از قانون نسبتهای حجمی ، ضریب تبدیل حجمی – حجمی مناسب را از روی معادله ی موازنه شده پیدا کرد. در شرایط غیر STP می توان با استفاده از چگالی گازها مقدار جرم آنها را به حجم یا برعکس تبدیل کرد.
مثال :
چند لیتر گاز H2 از واکنش 80/4 منیزیم با مقدار اضافی هیدروکلریک اسید در شرایط متعارفی تولید می شود؟
(Mg (s) + 2 Hcl (aq) ---> Mg Cl 2 (aq) + H2 (g
|
0/2 molMg
|
=
|
|
×
|
4/80 g Mg
|
=
|
mol Mg
|
پاسخ
|
|
0/2 molH2
|
=
|
|
×
|
0/2 Mol Mg
|
=
|
molH2
|
پاسخ
|
|
4/48 LH2
|
=
|
|
×
|
0/2 Mol H2
|
=
|
LH2
|
پاسخ
|
|
ادامه بخش اول
غلظت مولی
|
|
بیشتر واکنشهای شیمیایی در محلولها و بخصوص محلولهای آبی صورت می گیرند. استوکیومتری واکنشها بر حسب مول تفسیر می شو. بنابر این در محاسبه های استوکیومتری محلولها از «غلظت مولی» استفاده می کنیم. غلظت مولی یا مولاریته عبارت است از تعداد مولهای حل شده از یک ماده در لیتر محلول.
|
n® تعداد مولهای حل شده
|
|
v® حجم بر حسب لیتر
|
|
=
|
Mغلظت مولی
|
برای تهیه محلولهای رقیق می توان از رقیق کردن محلولهای غلیظ تر استفاده کرد. طبق فرمول زیر :
|
n=M × V = M × v
غلیظ غلیظ رقیق رقیق
|
مثال : برای تهیه mol ۵ محلول kmno4 با مولاریته ۰۲/. چند گرم از ماده حل شده لازم است ؟
KMno4 = 158 g mol-1
|
= 0/01 mol KMno4
|
0/02 mol KMno4
|
mol KMno4 = 500 ml × محلول
|
|
1000 ml محلول
|
|
1/58= gKmno4
|
158 g Kmno4
|
پاسخ g KMno4 = 0/01 mol ×
|
|
1 mol Kmno4
|
محاسبه های استوکیومتری در واکنشهای انجام شده با غلظت معین را به هم اضافه می کنیم در واقع تعداد مول مشخصی از هر یک از واکنش دهنده ها را در کنار هم قرار داده ایم. با استفاده از رابطه ی حجم – غلظت ، تعداد مول واکنش دهنده ها محاسبه می شود و با استفاده از نسبتهای مولی در معادله ی موازنه شده واکنش تعداد مول فرآورده ها محاسبه می شود.
مثال :
چه حجمی از گاز H2S در شرایط STP می تواند از واکنش K2S اضافی با L ۱/۶۵ محلول HCL ۰/۵۵۲ مولار بدست آید؟
|
= 0/455molH2S
|
|
پاسخ mol H2S = 0/911 mol HCL ×
|
|
=1/58 g
Kmno4
|
158 g Kmno4
|
پاسخ g KMno4 = 0/01 mol ×
|
|
1 mol Kmno4
|
|
|
محاسبه های استوکیومتری در واکنشهای انجام شده با غلظت معین را به هم اضافه می کنیم در واقع تعداد مول مشخصی از هر یک از واکنش دهنده ها را در کنار هم قرار داده ایم. با استفاده از رابطه ی حجم – غلظت ، تعداد مول واکنش دهنده ها محاسبه می شود و با استفاده از نسبتهای مولی در معادله ی موازنه شده واکنش تعداد مول فرآورده ها محاسبه می شود.
مثال : چه حجمی از گاز H2S در شرایط STP می تواند از واکنش K2S اضافی با L ۱/۶۵ محلول HCL ۰/۵۵۲ مولار بدست آید؟
(۲HCL (ag) + K2S (ag) ---> H2S (g) + 2kcl(ag
n = M.V
nHCL(ag) = 1/65 L * 0/552 mol/l = 0/911 mol HCL
|
= 0/455molH2S
|
|
پاسخ mol H2S = 0/911 mol HCL ×
|
|
|
= 10/2 L
|
|
پاسخ : L H2 S = 0/4555 mol H2S ×
|
|
|
واکنش دهندی محدود کننده
|
|
در هنگام انجام واکنشهای شیمیایی معمولاً یکی از واکنش دهنده ها به مقدار کمتر از مقدار استوکیومتری وجود دارد. بنابراین در جریان واکنش زودتر از واکنش دهنده های دیگر به مصرف می رسد و تمامی می شود.
این ماده تعیین کننده پیشرفت واکنش است و آن را محدود کننده می نامند. واکنش دهنده های دیگر را که پس از پایان واکنش نیز مقداری از آنها در ظرف می ماند، واکنش دهنده های اضافی می نامند.
باتوجه به نسبتهای مولی می توان در مسایل واکنش دهنده ی محدود کننده را مشخص کرد.
|
|
مثال :
|
|
از واکنش g۵۰ فلزی روی با g ۱۵۰ نیترات نقره چند گرم نقره را می توان بدست آورد؟
Ag = 108 g mol و ۱-AgNO3 170 = gmol و۱- ZN = 65/4 g mol ۱-
پاسخ :
ابتدا معادله موازنه شده ی واکنش را می نویسیم و تعداد مول مواد واکنش دهنده را تعیین می کنیم.
2 AgNO3 + Zn ---> 2 Ag + Zn( NO3)2
|
= 0/882 mol Ag
|
(
|
|
)
|
پاسخ: mol Ag = 0/882 mol AgNo3
|
|
۸۸۲/.= Mol AgNO3
|
(
|
1mol Ag NO3
|
)
|
پاسخ : mol AgNO3 = 150 g AgNO3
|
|
170gAgNO3
|
حال باید ماده محدود کننده را مشخص کنیم . فرض کنیم که ZN ماده محدود کننده است. با استفاده از نسبتهای مولی مقدار AgNO3 لازم برای واکنش با ZN موجود را محاسبه می کنیم.
|
= 1/53 mol AgNO3 مورد نیاز
|
(
|
|
)
|
پاسخ: mol AgNo3 =0/765 mol Zn
|
با مقایسه AgNo3 مورد نیاز و AgNo3 موجود در صورت مساله متوجه می شویم که انتخاب ما صحیح نبوده و ماده محدود کننده است.
|
= 0/882 mol Ag
|
(
|
|
)
|
پاسخ: mol Ag = 0/882 mol AgNo3
|
|
= 95/256 g Ag
|
(
|
|
)
|
پاسخ: g Ag = 0/882 mol Ag
|
|
|
بازدهی واکنشهای شیمیایی
|
|
در بسیاری از واکنشهای شیمیایی مقدار فرآورده های بدست آمده کمتر از مقدار محاسبه شده است. مقدار فرآورده های مورد انتظار از محاسبه ها را «بازده نظری» می گویند. اغلب «بازده عملی» کمتر از بازده نظری است.
با محاسبه بازده نظری (بیشترین مقدار ممکن فرآورده) با استفاده از واکنش دهنده ی محدود کننده می توان بازده درصدی را محاسبه کرد.
مثال :
در یک آزمایش واکنشی میان LiBH4 به مقدارg ۵ و مقدار زیادی NH4Cl انجام شده و B3N3H6 به مقدار 2/16 بدست آمده . معادله واکنش به صورت زیر است.
3 LiBH4 + 3 NH4Cl ---> B3N3H6 + 9 H2 + 3 B3N3H6
بازده درصدی واکنش را محاسبه کنید.
B3N3H6 = 80/4 mol -1 , LiBH4 = 21/79 g . mol
پاسخ :
در صورت مساله مشخص شده است که LiBH4 واکنش دهنده ی محدود کننده است.
|
= 0/230 mol LiBH4
|
(
|
|
)
|
پاسخ: mol LiBH4 = 5 g LiBH4
|
|
|
= 0/076 mol B3N3H6
|
(
|
|
)
|
پاسخ: mol B3N3H6 = 0/230 mol LiBH4
|
|
= 6/16 g B3N3H6
|
(
|
|
80/49g B3N3H6
|
|
1 mol B3N3H6
|
|
)
|
پاسخ: g B3N3H6 = 0/076 mol B3N3H6
|
|
* 100 = %35/06
|
|
2/16g B3N3H6
|
|
6/16g B3N3H6
|
|
بازده درصدی =
|
|
|
سوالات :
1- چند گرم گاز H2 در اثر واکنش کامل ۵۷ / ۸۰ گرم فلز لیتیم با آب تشکیل می شود؟
|
|
(H2 = 2/016 g و Li = 6/94 g)
11/70 gH2 پاسخ
|
|
2- در حرارت های بالا گوگرد با آهن ترکیب شده آهن Õ سولفید قهوه ای رنگ می دهد.
Fe + S ---> Fe S
در تجربه ای مقدار 7/62 گرم آهن با 8/68 گرم گوگرد واکنش داده شده است.
|
|
الف ) کدام یک از دو واکنش دهنده محدود کننده است ؟ Fe : پاسخ
ب ) جرم Fes تولید شده را محاسبه کنید. : پاسخ 12 g
ج) چندگرم از ماده ی اضافی در پایان واکنش باقی می ماند؟ 4/30 g : پاسخ
|
|
3- چند گرم Ca(CL04)2 از واکنش 12/5 گرم Cao با ۷۵ گرم HClo4 قابل تولید است؟
CaO + 2 HCLO4 ---> Ca(CL04)2 + H2O
(Ca(CL04)2 239 = g و HCLO4 = 100 g و Cao = 56 g)
|
|
پاسخ : 53/3 g
|
|
4- چند گرم ماده ی واکنش دهنده پس از واکنش CaO 0/223mol با0/75 HCLO4 باقی خواهد ماند؟
(CaO = 56 g و HCLO4 = 100 g)
|
|
پاسخ: 30/4 g
|
|
5- چند گرم سدیم سولفات Na2SO4 لازم است تا محلول ۲۵۰ میلی لیتری که غلظت آن 0/683 مولار است تهیه شود؟
|
|
پاسخ : 142/1 g
|
|
6- چگونه می توان از اسید نیتریک غلیظ با مولاریته ، ۵ لیتر اسید نیتریک ۶ مولار تهیه کرد؟
|
|
7- از مقدار 20 گرم N2 و 300 گرم Br2 در طی واکنش غیرموازنه ی زیر :
N2 + Br 2 <--- NBr3
چند گرم فرآورده ممکن است بدست آوریم ؟
(NBr3 = 235/7g , Br2 = 159/8 g , N2 = 28g)
|
|
پاسخ : 318/9 g
|
|
8- یک کارخانه ، آمونیوم فسفات را به عنوان کود تولید می کند. از ترکیب g ۶۳/۱ از این کود با NaoH اضافی مقدار g۲۰ گاز NH3 تولید شده است. چند درصد کود به کار رفته در واکنش خالص بوده است ؟
|
|
NH3 = 17 g , (NH4)3PO4 = 149 g
3NaOH + (NH4)3PO4 ---> 3 NH3+ 3H2O + Na3PO4
پاسخ: %92/6
9- در واکنش زیر برای تهیه گاز H2 چند گرم گاز H2 را می توان از ۹ گرم HCL و 50 گرم ZN تهیه کرد؟
2 HCL + ZN ---> H2 + ZNCL2
( H2 =2/016 g , HCl =36/46 g , Zn = 65/39 g ) 1/542g : پاسخ
10- معادلات شیمیایی زیر را موازنه کنید. الف) C6H5CL + SiCL 4 + Na ---> (C6H5)4 Si+ NaCL
ب ) HNO2 ---> HNO3 + NO + H2O
ج ) HBrO3 + HBr ---> Br2 + H2O
د ) As2o3 + KI + HCL ---> AsI3 + KCL + H2O
|
|
ساختار کیسه هوا