4 סטויכיומטריה

Transcription

4 סטויכיומטריה
‫היבטים כמותיים בכימיה‬
‫)סטויכיומטריה(‬
‫היבטים כמותיים בכימיה‬
‫)סטויכיומטריה(‬
‫סטויכיומטריה היא תחום בכימיה העוסק בכמויות ובריכוזים של‬
‫החומרים המשתתפים בתגובות כימיות ‪.‬‬
‫למה נצפה?‬
‫רוב בעיות הסטויכיומטריה מציגות כמויות של מגיבים‪ ,‬ושואלות איזה‬
‫כמות של תוצרים תיווצר או להיפך‪.‬‬
‫‪3C‬‬
‫‪2A + 2B‬‬
‫חישובים מתוך משוואות כימיות‬
‫משוואה כימית מאוזנת‪ -‬מספקת מידע איכותי וכמותי על החומרים‬
‫המשתתפים בתהליך הכימי והתוצרים המתקבלים בו‪.‬‬
‫בעזרתה ניתן לדעת‪:‬‬
‫ יחס בין המסות של כל החומרים‬
‫ מספרי המולים‪ ,‬מספרי האטומים והמולקולות‬
‫את הנפחים של הגזים בתגובה נתונה‬
‫‪1‬‬
‫דוגמא כללית‬
‫‪3C‬‬
‫‪2A + 2B‬‬
‫נתונים ‪ 20‬גרם של חומר ‪ A‬ועודף של ‪.B‬‬
‫כמה גרמים של חומר ‪ C‬יכולים להיווצר?‬
‫שלבי חישוב בעיות‬
‫בסטויכיומטריה‬
‫ שלב ‪ -1‬יש לבדוק שהתגובה מאוזנת‪.‬‬
‫ שלב ‪ -2‬יש להפוך את המסות הנתונות למולים‪ ,‬תוך שימוש‬
‫במסות מולריות‪.‬‬
‫ שלב ‪ -3‬יש לחזות את כמות התוצרים בהתאם ליחסי המולים בתגובה‪,‬‬
‫תוך התחשבות בגורם המגביל‪.‬‬
‫ שלב ‪ -4‬הופכים את המולים שחושבו למונחים של מסה או נפח‬
‫בהתאם לנדרש‪ ,‬תוך התחשבות במסה מולרית‪.‬‬
‫יחסי מולים בתגובה‬
‫נתונה תגובה ליצירת מים‬
‫‪2H2O‬‬
‫‪2H2O + O2‬‬
‫ היחס המולי בין ‪ H2‬ל‪ O2 -‬הוא ‪.2 : 1‬‬
‫ היחס המולי בין ‪ H2‬ל‪ H2O -‬הוא ‪.1 : 1‬‬
‫ היחס המולי בין ‪ O2‬ל‪ H2O -‬הוא ‪.1 : 2‬‬
‫‪2‬‬
‫משמעות המקדמים בתגובה‬
‫‪1 N2‬‬
‫‪+‬‬
‫‪2 NH3‬‬
‫‪3 H2‬‬
‫‪2 mole‬‬
‫‪3 mole‬‬
‫‪1 mole‬‬
‫‪2 molecule‬‬
‫‪3 molecule‬‬
‫‪1 molecule‬‬
‫‪2L‬‬
‫‪3L‬‬
‫‪1L‬‬
‫משמעות המקדמים בתגובה‬
‫שימוש במקדמים מאפשר השוואה של‪:‬‬
‫ מול למול‬
‫ נפח לנפח‬
‫ חלקיקים לחלקיקים )אטומים‪,‬‬
‫מולקולות או יחידות נוסחה(‬
‫לעולם לא לחשב בגרמים!!!‬
‫משמעות המקדמים בתגובה‬
‫)‪6.022 × 1023 (particles‬‬
‫= ‪1 mole‬‬
‫)‪22.4 L (STP‬‬
‫‪3‬‬
‫מגיב )ריאגנט( מגביל‬
‫מגיב )ריאגנט( מגביל‬
‫ריאגנט מגביל‪ -‬זה שנמצא בכמות המעטה ביותר ויגיב במלואו‪.‬‬
‫‪+‬‬
‫כאשר המגיבים אינם מופיעים בכמויות סטויכיומטריות‪ ,‬התגובה‬
‫תתרחש עד שאחד המגיבים יגמר‪ .‬בסוף התגובה‪ ,‬חלק מהמגיבים‬
‫עדיין קיימים )אלה שבעודף(‪.‬‬
‫בעיות מול‪ -‬מול‬
‫‪3H2‬‬
‫‪2NH3‬‬
‫‪N2 +‬‬
‫‪ 2.00‬מולים של חנקן מגיבים עם מימן בעודף‪ .‬כמה מולים של‬
‫אמוניה ייווצרו?‬
‫‪= x‬‬
‫‪2.00‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪NH3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪N2‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪NH3‬‬
‫‪N2‬‬
‫‪ 4 = X‬מולים של אמוניה‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫בעיות מול‪ -‬מול‬
‫נניח ש‪ 6.00 -‬מולים של מימן מגיבים עם חנקן בעודף‪.‬‬
‫כמה מולים של אמוניה יתקבלו?‬
‫‪x‬‬
‫‪6.00‬‬
‫)‪4.00 mol (NH3‬‬
‫=‬
‫‪2‬‬
‫=‬
‫=‬
‫‪3‬‬
‫‪NH3‬‬
‫‪H2‬‬
‫‪6.00×2‬‬
‫= ‪X‬‬
‫‪3‬‬
‫בעיות מול‪ -‬מסה‬
‫‪2KClO3‬‬
‫‪2KCl + 3O2‬‬
‫בתגובה הנ"ל מתפרקים ‪ 1.5‬מולים של ‪. KClO3‬‬
‫כמה גרמים של ‪ O2‬יווצרו?‬
‫בעיות מול‪ -‬מסה‬
‫‪1.5‬‬
‫‪X‬‬
‫=‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1.5‬‬
‫‪X‬‬
‫=‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫=‬
‫‪KClO3‬‬
‫‪O2‬‬
‫)‪X= 2.25 mol (O2‬‬
‫)‪2.25 mol (O2) × 32.0 g/mol = 72.0 g (O2‬‬
‫‪5‬‬
‫בעיות מול‪ -‬מסה‬
‫נניח כי רוצים לייצר ‪ 2.75 mol‬של ‪ .KCl‬כמה גרם של ‪ KClO3‬נחוצים?‬
‫‪2.75‬‬
‫‪x‬‬
‫‪2‬‬
‫=‬
‫‪1‬‬
‫‪2.75‬‬
‫‪x‬‬
‫‪KCl‬‬
‫‪2‬‬
‫=‬
‫=‬
‫‪KClO3‬‬
‫‪1‬‬
‫)‪X= 2.75 mol (KClO3‬‬
‫)‪2.75 mol (KClO3) × 122.55 g/mol = 337.0 g (KClO3‬‬
‫בעיות מסה מסה‬
‫צעדים בפתרון בעיות מסוג זה‪:‬‬
‫ יש להקפיד לעבוד עם משוואה מאוזנת‪.‬‬
‫ יש להפוך גרמים של כל חומר נתון למולים‪.‬‬
‫ לחשב את מספר המולים הנעלמים תוך שימוש‬
‫ביחסים הסטויכיומטרים בתגובה‪.‬‬
‫ יש להפוך את המולים שהתקבלו לערך הנדרש‬
‫)מסה‪ ,‬נפח וכו'(‪.‬‬
‫הערות מתוך שגיאות נפוצות‪:‬‬
‫‪ .1‬יש לבדוק פעמיים את איזון המשוואה‪.‬‬
‫‪ .2‬יש להתייחס ליחסים הסטויכיומטרים‪.‬‬
‫‪ .3‬לעולם לא להכפיל את המסה המולרית של החומר‬
‫במקדם שלו בתגובה‪.‬‬
‫לדוגמא בנוסחה בה מצוין ‪ 2H2O‬המסה המולרית‬
‫של מים היא ‪ 18.0 g/mol‬ולא ‪.36.0 g/mol‬‬
‫‪6‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫כמה גרם של כלור ישתחררו מפירוק של ‪ 64.0‬גרם ‪AuCl3‬‬
‫בהתאם לתגובה‪:‬‬
‫‪2AuCl3‬‬
‫‪2Au + 3 Cl2‬‬
‫המשך‬
‫‪= 0.211 mol‬‬
‫‪AuCl3‬‬
‫‪Cl2‬‬
‫‪64.0g‬‬
‫‪303.32 g/mol‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫=‬
‫‪0.211 mol‬‬
‫‪x‬‬
‫‪0.316 mol × 70.906 g/mol=22.4 g‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫מהי המסה של ‪ AgCl‬שניתן להכין מ‪ 200.0 gr -‬של ‪AlCl3‬‬
‫ועודף של ‪ AgNO3‬בהתאם לתגובה‪:‬‬
‫‪3AgCl + Al(NO3)3‬‬
‫‪3AgNO3 + AlCl3‬‬
‫‪7‬‬
‫המשך‬
AlCl3
AgCl
1.50 mol
200.0g
= 1.50 mol
133.34 g/mol
=
x
1
3
4.5 mol × 143.32 g/mol=645 g
:‫שאלה לדוגמא‬
2KI + Pb(NO3)2
PbI2 + 2KNO3
KI ‫ של‬30.0 gr ‫ הנוצר כאשר‬PbI2 ‫י את המסה של‬/‫חשב‬
:‫ בהתאם לתגובה‬Pb(NO3)2 ‫מגיבים עם עודף של‬
‫המשך‬
KI
30.0g
PbI2
0.181
x
166.00 g/mol
=
= 0.181 mol
2
1
0.090 mol × 461.01 g/mol= 41.6 g
8
‫יחסי נפח‬
‫מול אחד של כל גז‪/‬ים תופס בתנאים תקינים‪ ,‬נפח של ‪ 22.4‬ליטר‪.‬‬
‫כיוון שיחסי המולים במשוואה כימית ידועים‪ ,‬ניתן לדעת את יחסי הנפחים‪.‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫מימן מגיב עם חנקן תוך יצירת אמוניה ‪NH3‬‬
‫א‪ .‬רשום משוואה מאוזנת להפקת אמוניה ממימן וחנקן‬
‫ב‪ .‬כמה מולקולות של אמוניה ניתן לקבל מ‪ 840 -‬גרם חנקן?‬
‫ג‪ .‬כמה ליטרים של מימן)ב‪ (S.T.P -‬מגיבים עם ק"ג אחד של חנקן?‬
‫יחסי נפח‬
‫א‪.‬‬
‫ב‪.‬‬
‫)‪3H2(g) + N2(g‬‬
‫)‪2NH3(g‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫יחסי מולים‬
‫‪ n= 840g/28 g/ mole=30 mole‬מס' מולים חנקן שהגיבו‬
‫‪n= 30 × 2 = 60 mole‬‬
‫מס' מולים אמוניה‬
‫שהתקבלו‬
‫‪ = 60 × 6.02×1023 = 3.612×1025‬מס' מולקולות אמוניה‬
‫שהתקבלו‬
‫יחסי נפח‬
‫)‪2NH3(g‬‬
‫)‪3H2(g) + N2(g‬‬
‫יחסי מולים‬
‫‪3‬‬
‫מס' מולים חנקן שהגיבו‪:‬‬
‫מס' מולים מימן שמגיבים‬
‫עם ק"ג חנקן‪:‬‬
‫נפח המימן בליטרים‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪n= 1000g/28g/mole= 35.714 mole‬‬
‫‪n= 35.714 × 3 = 107.14 mole‬‬
‫= ‪V= 107.14 mole × 22.4L/mole‬‬
‫‪2399.99 L‬‬
‫‪9‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫‪Fe2O3 + 3CO‬‬
‫‪2 Fe + 2 CO2‬‬
‫‪?g‬‬
‫‪61.4 g‬‬
‫‪MW [Fe2O3] = 159.6 g/mol‬‬
‫‪0.384 mol‬‬
‫=‬
‫‪61.4 g‬‬
‫= ]‪n [Fe2O3‬‬
‫‪160 g/mol‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫‪Fe2O3 + 3CO‬‬
‫‪2 Fe + 2 CO2‬‬
‫‪?g‬‬
‫‪X= 1.15 mol‬‬
‫‪0.384 mol‬‬
‫‪X‬‬
‫=‬
‫‪1‬‬
‫‪3‬‬
‫=‬
‫‪61.4 g‬‬
‫]‪[Fe2O3‬‬
‫]‪[CO‬‬
‫‪28 g/mol × 1.15 mol = 32.2 g‬‬
‫ניצולת ‪:yield‬‬
‫• עד כה בכל החישובים הנחנו שתנאי התגובה היו אידיאלים‬
‫ושהכמות המקסימאלית של תוצר התקבלה )הנחנו‬
‫שמדובר בניצולת השווה ל ‪.(100%‬‬
‫• במציאות תגובות מושפעות מגורמים רבים המקטינים את‬
‫הניצולת‪.‬‬
‫‪10‬‬
‫גורמים המשפיעים על ניצולת‬
‫• טמפרטורה‬
‫• סוג המיכל‬
‫• לחץ‬
‫• מדיום‬
‫• מצב צבירה‬
‫• תגובות צדדיות‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫• דוגמא של ‪ 50 g‬כסף ניטרט מעורבבת על ‪ 50 g‬חומצה הידרוכלורית‪.‬‬
‫מתקבל משקע לבן‪ ,‬כסף כלוריד‪ .‬מסננים את התמיסה‪ ,‬אוספים את‬
‫המשקע הלבן ומיבשים אותו‪ .‬מסת המשקע הלבן‪ 33.6 g :‬מהי‬
‫הניצולת?‬
‫• פתרון‪ :‬הניצולת הינה ‪78%‬‬
‫שאלה לדוגמא‪:‬‬
‫• ניתן לקבל את חומר הדשן אמוניום סולפט בתהליך שניסוחו‪:‬‬
‫)‪(NH4)2SO4 (S‬‬
‫)‪NH3 (g) + H2SO4 (l‬‬
‫• אזנו את התגובה‪.‬‬
‫• הכניסו לכלי הריאקציה‪ 1000 :‬גר' אמוניה‪ 2597 ,‬גר'‬
‫חומצה גופרתית וקיבלו ‪ 3.4‬גר' דשן‪ .‬מהי ניצולת התהליך?‬
‫‪11‬‬
‫פיתרון‬
‫ריאגנט מגביל‬
‫‪1000 gr‬‬
‫‪17 gr/mol = 58.85 mol‬‬
‫= ‪n NH‬‬
‫‪2597 gr‬‬
‫‪98 gr/mol = 26.5 mol‬‬
‫= ‪n H SO‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3400 gr‬‬
‫‪= 132‬‬
‫‪gr/mol = 25.76 mol‬‬
‫‪n‬‬
‫‪(NH4)2SO4‬‬
‫המשך פיתרון‬
‫• ניתן לראות שקיבלנו ‪ 25.76 mol‬תוצר במקום לקבל ‪.26.5 mol‬‬
‫• אם כן הניצולת הינה‪:‬‬
‫‪25.76‬‬
‫‪26.5 X 100 = 97.2 %‬‬
‫‪12‬‬