Transcript bildmaterial

Mass-samband i kemiska
reaktioner
Kapitel 3
Makrokosmos
gram
Mikrokosmos
atomer & molekyler
Atom-massa är massan av en atom i atommassenheter (atomic mass units), amu (u).
Per definition:
1 atom 12C “väger” 12 amu
I denna skala:
1H
= 1.008 amu
16O
= 16.00 amu
Den genomsnittliga atom-massan är det viktade medelvärdet
av alla naturligt förekommande isotoper av ett grundämne.
3.1
Atom-massan av koppars två stabila isotoper,
(69.09 %) och
(30.91 %) är 62.93
amu respektive 64.9278 amu.
Beräkna den genomsnittliga atom-massan av
koppar. De relativa förekonsterna av de två
isotoperna framgår i parenteserna.
3.1
Lösning
Först omvandlas % till fraktioner:
69.09 % till 69.09/100 eller 0.6909
30.91 % till 30.91/100 eller 0.3091.
Bidragen från respektive isotop summeras:
(0.6909) (62.93 amu) + (0.3091) (64.9278 amu) = 63.55 amu
Genomsnittlig atommassa (63.55)
Mol: En enhet för att räkna antalet partiklar
Dussin = 12
Par = 2
Antalet mol är mängden substans som innehåller så
många enheter som det finns atomer i exakt 12.00
gram 12C
1 mol = NA = 6.0221415 x 1023
Avogadros tal (NA)
7
ägg
Molmassan är massan av 1 mol av skor i gram
atomer
1 mol 12C-atomer = 6.022 x 1023 atomer = 12.00 g
1 12C-atom = 12.00 amu
1 mol 12C-atomer = 12.00 g 12C
1 mol litiumatomer = 6.941 g Li
For alla grundämnen:
atom-massa (amu) = molmassa (grams)
En mol av:
S
C
Hg
Cu
Fe
1 12C atom
12.00 g
1.66 x 10-24 g
x
=
23
12
12.00 amu
6.022 x 10
C atomer
1 amu
1 amu = 1.66 x 10-24 g eller 1 g = 6.022 x 1023 amu
M = molmassa i g/mol
NA = Avogadros tal
3.2
Hur många mol He-atomer
finns i 6,46 gram He?
3.2
Strategi
Vi har fått antalet gram helium och antalet mol efterfrågas.
n = m/M
n=? mol
m=6,46 g
M= leta upp i periodiska systemet g/mol
3.2
Lösning
1 mol He = 4.003 g He
n = m/M =
3.3
Hur många gram Zn utgör
0.356 mol Zn?
Zink
3.3
Lösning
1 mol Zn = 65.39 g Zn
n = m/M  m = nM
m=
3.4
Hur många atomer finns i 16.3 g S?
3.4
Lösning
Två omvandlingar är nödvändiga; 1) omvandling från gram till
mol, och 2) omvandling till antal partiklar. Steg 1 liknar exempel
3.2:
1 mol S = 32.07 g S
Omräkningsfaktor därmed:
Avogadros tal utgör nyckeln till nästa steg:
1 mol = 6.022 × 1023 partiklar (atomer)
3.4
Problemet löses genom att först beräkna antal mol i 16.3 g S,
för att sedan beräkna antalet S-atomer i det beräknade antalet
mol S:
gram S  mol S  antal S-atomer
Omvandlingarna kombinerade i ett steg ger:
Dvs: 3.06 × 1023 S-atomer i 16.3 g S.
Kontroll
Borde 16.3 g S innehålla färre än Avogadros tals antal atomer?
Molekylmassan (el molecular weight) är summan
av atommassorna (i amu) i en molekyl.
1S
2O
SO2
32.07 amu
+ 2 x 16.00 amu
64.07 amu
SO2
För en molekyl
moilekylmassa (amu) = molmassa (grams)
1 SO2-molekyl = 64.07 amu
1 mol SO2 = 64.07 g SO2
Formelmassan är summan av atom-massor
(i amu) i en formelenhet av en jonförening.
1Na
NaCl
22.99 amu
1Cl + 35.45 amu
NaCl
58.44 amu
För en jonförening
formelmassa (amu) = molmassa (gram)
1 formelenhet NaCl = 58.44 amu
1 mol NaCl = 58.44 g NaCl
Procentuell sammansättning av ett grundämne i en förening =
n x molmassa för grundämne
x 100%
molmassa för förening
n är antalet mol av grundämnet i 1 mole av föreningen.
2 x (12.01 g)
%C =
x 100% = 52.14%
46.07 g
6 x (1.008 g)
%H =
x 100% = 13.13%
46.07 g
1 x (16.00 g)
%O =
x 100% = 34.73%
46.07 g
C2H6O
52.14% + 13.13% + 34.73% = 100.0%
3.8
Beräkna den procentuella
sammansättningen m a p
massa för H, P och O i
fosforsyra.
3.8
Strategi
Anta att vi har 1 mol H3PO4.
Mass% för varje element (H, P och O) ges av den kombinerade
molmassan för de enskilda atomslagen i 1 mol H3PO4, delat
med molmassan av H3PO4, och multiplicerat med 100 %.
3.8
Lösning Molmassan för H3PO4 är 97.99 g. Mass% för vart
och ett av de ingående elementen i H3PO4 beräknas enligt
nedan:
Kontroll Blir summan av alla komponenter 100 %? Summan
är (3.086% + 31.61% + 65.31%) = 100.01%. Avvikelsen från
100 % är en effekt av avrundning  ok
%-sammansättning och empiriska formler
3.9
Massan av vitamin C
(askorbinsyra) är sammansatt
av 40.92 % kol (C), 4.58 % väte
(H), och 54.50 % syre (O).
Bestäm dess empiriska formel.
3.9
Strategi
I en kemisk formel representerar de nedsänkta siffrorna kvoten
av antalet mol för varje element som kombinerar sig för att bilda
1 mol av föreningen.
Anta att vi har exakt 100 g av vitamin C. Då kan vi direkt
översätta procentsatserna till massan av respektive element.
Omvandla sedan massa till mol.
3.9
Lösning Anta 100 g vitamin C. Detta innebär att massan av
respektive grundämne blir 40.92 g C, 4.58 g H, och 54.50 g O.
Därefter omvandlas massan av respektive element till mol (per
100 g vitamin C). Låt n representera antalt mol av varje
element:
3.9
Detta ger C3.407H4.54O3.406. Vi ska dock svara i heltal. Samtliga
siffror delas därför med den lägsta av siffrorna (3.406):
Detta ger CH1.33O som empirisk formel för vitamin C. 1.33 skall
därefter omvandlas till heltal. Detta görs mha trial-and-error.
3.9
1.33 × 1 = 1.33
1.33 × 2 = 2.66
1.33 × 3 = 3.99 < 4
1.33 × 3 ger ett heltal (4). Därför multiplicerar vi alla nedsänkta
tal i den empiriska formeln med 3 och får C3H4O3 som svar.
Kontroll
Är de nedsänkta siffrorna i C3H4O3 reducerade till de lägsta
möjliga heltalen?
Förbränn 11.5 g etanol
Samla in 22.0 g CO2 och 13.5 g H2O
g CO2
mol CO2
mol C
gC
6.0 g C = 0.5 mol C
g H2O
mol H2O
mol H
gH
1.5 g H = 1.5 mol H
g O = g prov – (g C + g H)
4.0 g O = 0.25 mol O
Empirisk formel C0.5H1.5O0.25
Dela med minsta värde (0.25)
Empirisk formel C2H6O
En process i vilken en eller flera substanser omvandlas till en
eller flera nya substanser är en kemisk reaktion.
I en kemisk ekvation används kemiska symboler för att visa
vad som händer under en kemisk reaktion:
reaktanter
produkter
Tre sätt att illustrera reaktionen mellan H2 och O2 för bildning av H2O:
Hur att “läsa” kemiska ekvationer
2 Mg + O2
2 MgO
2 Mg-atomer + 1 O2-molekyl ger 2 enheter MgO
2 mol Mg + 1 mol O2 ger 2 mole MgO
48.6 gram Mg + 32.0 gram O2 ger 80.6 g MgO
INTE
2 gram Mg + 1 gram O2 ger 2 g MgO
Att balansera kemiska ekvationer
1. Skriv korrekta formler för reaktanter och produkter.
Etan reagerar med syre under bildning av koldioxid och vatten.
C2H6 + O2
CO2 + H2O
2. Ändra siffrorna framför formlerna (koefficienterna) så
att antalet av varje element blir desamma på bägge
sidor av ekvationen. Ändra inte de nedsänkta
siffrorna!
2C2H6
INTE
C4H12
Att balansera kemiska ekvationer
3. Börja med att balanser de element som finns i endast
en reaktant och en produkt.
C2H6 + O2
2 kol till
vänster
CO2 + H2O
1 kol till
höger
C2H6 + O2
2CO2 + H2O
6 väten
till vänster
2 väten
till höger
C2H6 + O2
2CO2 + 3H2O
börja med C eller H men inte O
multiplicera CO2 med 2
multiplicera H2O med 3
Att balansera kemiska ekvationer
4. Balansera de element som finns i två eller flera
reaktanter eller produkter.
C2H6 + O2
2 syre
till vänster
2CO2 + 3H2O
4 syre
(2x2)
+ 3 syre
(3x1)
C2H6 + 7 O2
2
2CO2 + 3H2O
2C2H6 + 7O2
4CO2 + 6H2O
multiplicera O2 med
= 7 syre
till höger
Omvandla till heltal
Multiplicera bägge
sidor med 2
7
2
Att balansera kemiska ekvationer
5. Kontrollera att du har samma antal atomer av varje typ
på bägge sidor av ekvationen.
2C2H6 + 7O2
4CO2 + 6H2O
4 C (2 x 2)
4C
12 H (2 x 6)
12 H (6 x 2)
14 O (7 x 2)
14 O (4 x 2 + 6)
Reaktanter
4C
12 H
14 O
Produkter
4C
12 H
14 O
Massberäkningar i kemiska reaktioner
1. Skriv en balanserad kemisk ekvation
2. Omvandla kvantiteter av kända substanser till mol
3. Använd koefficienter i balanserade ekvationer för att
beräkna antalet mol av den sökta kvantiteten
4. Omvandla mol till massa
3.13
Förbränningen av glukos
(C6H12O6) till koldioxid (CO2) och
vatten (H2O) är av central
betydelse för oss.
Vid förbränning av 856 g
C6H12O6, hur mycket CO2
produceras?
3.13
Strategi
Betrakta ekvationen. Vilket molförhållande gäller mellan
C6H12O6 och CO2?
Utgående från massan C6H12O6, hur omvandlar vi detta
till mol C6H12O6?
När vi bestämt antalet mol CO2, hur omvandlar vi detta till
massa CO2?
3.13
Lösning
Steg 1: Ekvationen är redan balanserad.
Steg 2: För omvandling av massa C6H12O6 till mol:
Steg 3: Molförhållandet ger:
1 mol C6H12O6
≏ 6 mol CO2.
Alltså är mängden bildad CO2:
3.13
Steg 4: Massan CO2 ges av
Det går bra att kombinera dessa steg i en ekvation:
Begränsande reaktant:
Den reaktant som först tar
slut i en reaktion.
2NO + O2
2NO2
NO är den begränsande
reaktanten
O2 finns i överskott
3.15
Urea [(NH2)2CO] tillverkas genom reaktion mellan ammoniak
och koldioxid:
Om 637.2 g NH3 blandas med 1142 g of CO2:
(a) Vilken är den begränsande reaktanten?
(b) Beräkna massan bildad (NH2)2CO.
(c) Hur mycket överskott av reagens (i gram) är kvar efter
reaktionen?
3.15
(a) Strategi Den reaktant som räcker till minst mängd produkt
är den begränsande reaktanten eftersom den bestämmer
hur mycket produkt som kan bildas.
Hur omvandla från mängd reaktant till mängd produkt?
Utför denna beräkning för varje reaktant, jämför antalet mol
produkt, (NH2)2CO, som kan bildas av de tillgängliga
mängderna NH3 och CO2 för att bestämma vilken som är
den begränsande reaktanten.
3.15
Solution Vi genomför två separata beräkningar. Först,
utgående från 637.2 g NH3, beräknar vi antalet mol av
(NH2)2CO som kan produceras om all NH3 reagerar enligt
nedan:
Om bägge omvandlingarna kombineras 
3.15
För 1142 g CO2 blir omvandlingarna
Antalet mol (NH2)2CO som kan bildas om CO2 reagerar är
Således är NH3 den begränsande reaktanten eftersom den
producerar en mindre mängd (NH2)2CO.
3.15
(b) Strategi Vi bestämde bildad substansmängd (NH2)2CO i
del (a), med NH3 som den begränsande reaktanten. Hur
omvandlar vi från mol till gram?
Lösning Molmassan av (NH2)2CO är 60.06 g. Vi använder
denna som en omvandlingsfaktor för att gå från mol (NH2)2CO
till gram (NH2)2CO:
3.15
(c) Strategi Vi kan bakvägen bestämma den mängd CO2 som
måste reagera för att bilda 18.71 moles of (NH2)2CO. Mängden
kvarvarande CO2 är skillnaden mellan den mängd som fanns
från början och den mängd som reagerat.
Lösning Utgående från 18.71 mol (NH2)2CO så kan vi
bestämma den massa CO2 som reagerat mha molförhållandet i
den balanserade reaktionen och molmassan för CO2.
Omvandlingsstegen är:
3.15
Om dessa omvandlingar kombineras i ett steg, blir det:
Mängden kvarvarande CO2 (överskottet) är skillnaden mellan
den initiala mängden (1142 g) och den mängd som reagerat
(823.4 g):
Överskott av CO2 = 1142 g − 823.4 g = 319 g
Reaktionsutbyte
Teoretiskt utbyte är den mängd produkt som
skulle bildas om all reaktant förbrukades.
Verkligt utbyte är den mängd produkt som i
praktiken bildas.
% utbyte =
Verkligt utbyte
Teoretiskt utbyte
x 100%
3.17
Titan framställs genom att titan(IV)klorid reagerar med
smält magnesium vis 950°C-1150°C:
I detta fall får 3.54 × 107 g TiCl4 reagera med 1.13 × 107
Mg.
(a) Beräkna det teoretiska utbytet av Ti (i gram).
(b) Beräkna det procentuella utbytet om det verkliga
utbytet av Ti är 7.91 × 106 g.
3.17
(a) Strategi
Eftersom vi har två reaktanter är det sannolikt att en av
dessa kommer att vara begränsande.
Hur omvandlar vi från mängd reaktant till mängd produkt?
Genomför denna beräkning för varje reaktant och jämför
antalet bildade mol Ti.
3.17
Lösning
Först, börja med 3.54 × 107 g of TiCl4, beräkna antalet mol Ti
som maximalt skulle kunna produceras. Omvandlingarna är:
Dvs:
3.17
Därefter gör vi detsamma med utgångspunkt i 1.13 × 107 g
Mg:
Dvs
TiCl4 är alltså den begränsande reaktanten eftersom den
proucerar en mindre mängd av Ti.
3.17
Mängden bildad Ti är:
(b) Strategi Massan av Ti som bestämts i del (a) är det
teoretiska utbytet. Mängden som givits i del (b) är det verkliga
utbytet.
3.17
Lösning Det procentuella utbytet är givet av
Övningsuppgifter, kapitel 3
I första hand:
5, 14, 60agjl, 86
Därutöver:
2, 16, 20, 24, 26, 30, 38, 40, 46, 54, 57, 66, 70, 72, 76, 79, 90, 94, 119
I mån av tid:
44, 64, 84, 96