Definicje: Reakcje chemiczne i stechiometria

Dlaczego tak jest

W czasie reakcji atomy nie znikają ani nie powstają z niczego — jedynie przegrupowują się, tworząc nowe substancje. Dlatego całkowita masa się nie zmienia.

Zapis

$m_{\text{substratów}} = m_{\text{produktów}}$

Bilansowanie (uzgadnianie)

Zgodnie z prawem zachowania masy liczba atomów każdego pierwiastka musi być taka sama po obu stronach. Uzyskujemy to, dobierając współczynniki (liczby przed wzorami). Przykład:

$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

Po obu stronach są 4 atomy wodoru i 2 atomy tlenu.

Masa molowa

Masa molowa $M$ to masa jednego mola substancji, wyrażana w $\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$. Liczbowo jest równa masie atomowej lub cząsteczkowej. Masę cząsteczkową obliczamy, sumując masy atomowe pierwiastków:

$M(\text{H}_2\text{O}) = 2\cdot1 + 16 = 18\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$.

Przeliczenia

• liczba moli z masy: $n = \dfrac{m}{M}$,
• liczba cząstek: $N = n\cdot N_A$.

Schemat rozwiązywania

1. zapisz i zbilansuj równanie reakcji,
2. zamień dane (masę, objętość) na mole,
3. z stosunku molowego (współczynników) oblicz mole szukanej substancji,
4. zamień mole na żądaną wielkość (masę $m=n\cdot M$ lub objętość $V=n\cdot V_m$).

Przykład

W reakcji $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ stosunek molowy wynosi $1:1:1$. Z 1 mola węgla powstaje 1 mol $\text{CO}_2$.

Objętość molowa gazu

Objętość molowa $V_m$ to objętość, jaką zajmuje 1 mol gazu. W warunkach normalnych ($0^\circ\text{C}$, $1013\ \text{hPa}$) wynosi ona:

$V_m = 22{,}4\ \tfrac{\text{dm}^3}{\text{mol}}$.

Co ważne, dla gazu jest ona niezależna od rodzaju gazu — 1 mol wodoru i 1 mol tlenu w warunkach normalnych zajmują te same $22{,}4\ \text{dm}^3$.

Obliczenia

• liczba moli gazu: $n = \dfrac{V}{V_m}$,
• objętość gazu: $V = n\cdot V_m$.

Wyznaczanie wzoru empirycznego ze składu procentowego

1. przyjmij $100\ \text{g}$ związku → procenty stają się gramami,
2. oblicz liczbę moli każdego pierwiastka: $n = \dfrac{m}{M}$,
3. podziel wszystkie wyniki przez najmniejszy z nich → otrzymasz stosunek atomowy,
4. w razie potrzeby pomnóż, by uzyskać liczby całkowite.

Od empirycznego do rzeczywistego

Porównaj masę molową wzoru empirycznego $M_{\text{emp}}$ z rzeczywistą masą molową $M$. Krotność $k = \dfrac{M}{M_{\text{emp}}}$ mnoży indeksy wzoru empirycznego.

Dlaczego wydajność bywa mniejsza niż 100%

• część substratów nie przereagowała,
• zaszły reakcje uboczne,
• straty przy wydzielaniu i oczyszczaniu produktu.

Jak obliczyć

Najpierw z równania (stechiometrycznie) obliczasz ilość teoretyczną produktu, a następnie porównujesz z ilością praktyczną (otrzymaną w doświadczeniu):

$W = \dfrac{\text{ilość otrzymana}}{\text{ilość teoretyczna}}\cdot 100\%$.