Kapitel 3 Stökiometri

3.8 Kemiska reaktionslikheter 3.9 Balansera reaktionslikheter 3.1 Räkna genom att väga 3.2 Atommassor 3.3 Molbegreppet 3.4 Molmassa 3.5 Problemlösning 3.6 Kemiska föreningar 3.7 Kemiska formler 3.8 Kemiska reaktionslikheter 3.9 Balansera reaktionslikheter 3.10 Stökiometriska beräkningar 3.11 Begränsande reaktant Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Kemisk stökiometri Stökiometri, (från grekiskans stoicheion, grundämne, och metron, mått), läran om de mängdförhållanden i vilka kemiska ämnen reagerar med varandra Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Kan utföras om den genomsnittliga massan för “partiklarna” är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

1 amu = 1/12 massan av en atom av kol-isotopen 12C Atommassor Ett grundämnes atommassa är medelvärdet av de naturligt förekommande isotopernas massor. Alla atommassor graderas på en skala som tillskriver isotopen 12C exakt 12 massenheter (amu = atomic mass unit) Atommassenhet (amu, unified atomic mass unit) är den måttenhet som används för att ange atomers och elementarpartiklars massa. 1 amu = 1/12 massan av en atom av kol-isotopen 12C Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Masspektrometer Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Massan hos olika atomslag (grundämnen) Grundämnen förekommer i naturen som blandningar av olika tunga isotoper Förekomst Vikt Kol = 98.89% 12C 12 amu 1.11% 13C 13.003 amu <0.01% 14C 14.003 amu Grundämnet kols atommassa är således i medeltal något över 12 amu: 12.011 amu Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Antalet kolatomer i 12 gram 12C. Substansmängd (mol) Antalet kolatomer i 12 gram 12C. Ett styckemått som dussin, gross (12 dussin), tjog, skog (3 tjog) o.s.v. 1 mol = 6.022 · 1023 st Avogadros tal (NA) = 6.022  1023 atomer Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

En mol vardera av koppar aluminium jod kvicksilver järn svavel Ken O'Donoghue Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Jämförelse mellan massorna hos 1 mol av olika grundämnen Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Atommassan och molmassan Atommassenheten är kopplad till Avogadros tal (NA) och SI-enheten mol så att en mol av 12C med atom- eller molekyl-massan 12amu väger exakt 12 gram  6.023∙ 10 23 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑠∙ 12 𝑎𝑚𝑢 𝑎𝑡𝑜𝑚 =12 𝑔→6.023∙ 10 23 𝑎𝑚𝑢= 𝑁 𝑎 .𝑎𝑚𝑢=1𝑔 𝑎𝑙𝑙𝑡𝑠å:𝑎𝑚𝑢=𝑔/𝑚𝑜𝑙! Det betyder at Mw = molmassan kan hittas direkt från periodiska systemet = atommassan Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

För ett grundämne är molmassan = atommassa Ett ämnes molmassa (M) är massan av ett mol av ämnet är atommassan i gram (g/mol) För ett grundämne är molmassan = atommassa Mgrafit = MC = 12.01 amu = 12.01 g/mol För en kemisk förening utgår man från formeln MCO2 = MC + 2MO = 12.01g/mol + 216.00 g/mol = 44.01 g/mol Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Förhållandet mellan massa (m), molmassa (M) och substansmängd (n) 𝑛(𝑚𝑜𝑙)= 𝑚 (𝑔) 𝑀 𝑤 𝑔 𝑚𝑜𝑙 Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Begreppskoll Följande 4 prov innehåller en mol atomer. Vilket är vilket? Al, Fe, Cu och Zn? The correct answer is “a”. Magnesium has the smallest average atomic mass (24.31 amu). Since magnesium is lighter than zinc and silver, it will take more atoms to reach 100.0 g. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Symboltänkande: tänka i bilder Vart ska vi? Läs problemet och bestäm vad du söker. Hur ska vi komma dit? Arbeta dig bakåt från det du söker. Dela upp uppgiften i mindre delar Verklighetskontroll. När du erhållit ett svar, kontrollera om det är rimligt. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Föreningens sammansättning Vad är en förening? Hur mycket av vad? procentuella sammansättning Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Föreningens sammansättning En kemisk förening är ett ämne som består av två eller flera grundämnen som är kemiskt bundna till varandra i bestämda massproportioner För molekyler beskriver formeln antalet atomer av varje grundämne i en enstaka molekyl. Det kallas föreningens sammansättning Med hjälp av detta kan vi beräkna molmassan av en förening

Föreningens sammansättning Exempel Beräkna molmassan av CO2

Föreningens sammansättning Exempel Beräkna molmassan av CO2 Lösning: 1 atom CO2 = 1 atom C+2 atomer O → 1mol CO2= 1 mol C + 2 mol O Massa C = 1 mol x 12.01g/mol = 12.01 g Massa O = 2 mol x 16.00g/mol = 32.00 g + Massa 1 mol CO2 44.01 g MCO2 = 44.01 g/mol

Föreningens sammansättning Sammansättning kan också beskrivas på bas av den procentuella massan av ett visst grundämne Beräknas genom att jämföra massan av ett grundämne in 1 mol förening med massan av 1 mol av föreningen Eller: mass% = massan av ett grundämne in 1 mol föreningen • 100% massan av 1mol av föreningen

Föreningens sammansättning Exempel: Vad är procentuella massan av C i metanol? Beräknas genom att jämföra massan av C i 1 mol metanol med massan av 1mol metanol

Föreningens sammansättning Exempel: Vad är procentuella massan av C i metanol? Beräknas genom att jämföra massan av C i 1 mol metanol med massan av 1mol metanol Lösning Metanol = CH3OH 1 mol CH3OH innehåller 1 mol C =12.01g C MCH3OH= MC+4xMH+MO=12.01+4x1.008+16.00= 32.04 g/mol Alltså 1 mol CH3OH väger 32.04 g Fraktionen C blir då 12.01g/32.04g x 100% =37.48 %

En förenings formel Hur bestämmer formeln?

Empirisk formel, molekylformel och strukturformel Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Molekylformeln visar antal av varje atomslag i en molekyl Olika slags formler Molekylformeln visar antal av varje atomslag i en molekyl Molekylformel för bensen: C6H6 Den empiriska formeln ger heltals- förhållandet mellan ingående atomslag i ett kemiskt ämne Empirisk formel för bensen: CH Molekylformel = (Empirisk formel)n Strukturformel visar hur de ingående atomerna är bundna till varandra i en molekyl Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Bestämning av en förenings empiriska formel Utgå från den procentuella sammansättningen Antag 100 gram av förening. Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden. Multiplicera varje värde med n tills heltal erhålles. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning Bestäm den empiriska formeln och molekylformeln för en förening som har följande procentuella viktssammansättning: Cl: 71.65% C: 24.27% H: 4.07% Mw = 98.96 g/mol Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

En förenings empiriska formel Utgå från den procentuella sammansättningen 71.65 % Cl, 24.27 % C och 4.07 % H Antag 100 gram av förening. Lösning 100g förening innehåller 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H

En förenings empiriska formel Utgå från den procentuella sammansättningen Antag 100 gram av förening. 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. 71.65 g Cl = 71.65 g • 1 mol Cl = 2.021 mol Cl 35.45 g Cl 24.27 g C = 24.27 g • 1 mol C = 2.021 mol C 12.04 g C 4.07 g H = 4.07 g • 1 mol H = 4.04 mol H 1.008 g H

En förenings empiriska formel Utgå från den procentuella sammansättningen Antag 100 gram av förening. 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. 2.021 mol Cl, 2.021 mol C, 4.04 mol H Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden Dividera med 2.021 ger empiriska formel ClCH2 Molekyl formel är (ClCH2)n

En förenings empiriska formel Utgå från den procentuella sammansättningen Antag 100 gram av förening. 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. 2.021 mol Cl, 2.021 mol C, 4.04 mol H Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden Empiriska formeln är (ClCH2)n Multiplicera varje värde med n tills heltal erhålles. M(ClCH2)n = 98.96 g/mol M(ClCH2)n = n•(MCl+MC+ 2•MH)=n • 49.48 g/mol→ 98.96 g/mol =n • 49.48g/mol och n= 98.96 g/mol 49.98 g/mol =2

Sammanfattning Stökiometri= Studiet av kvantiteterna av olika ämnen som förbrukas och produceras i kemiska reaktioner 𝑚=𝑛∙𝑀 Massa% = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑎𝑛 𝑎𝑣 𝑒𝑡𝑡 𝑔𝑟𝑢𝑛𝑑ä𝑚𝑛𝑒 𝑖 1𝑚𝑜𝑙 𝑓ö𝑟𝑒𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑛 𝑎𝑣 1 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑣 𝑓ö𝑟𝑒𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 ∙100% Empiriska formel av en förening beräknas genom att utgå från den procentuella sammansättningen, antagande att 100 gram av förening finns och beräkning av antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen.

Kemiska reaktioner I kemiska reaktioner sker en omorganisation mellan atomerna i de ingående föreningarna var på det bildas nya föreningar Metan brinner i syrgas och bildar koldioxid och vattenånga Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Kemiska reaktionslikheter En reaktionslikhet representerar den kemiska reaktionen med hjälp av en reaktionspil.  reaktanter metan + syrgas CH4(g) + O2(g) produkter koldioxid + vatten CO2(g) + H2O(g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Balansera reaktionslikheter I en kemisk reaktion varken bildas eller förstörs atomer; det sker endast en omorganisering. I en balanserad reaktionslikhet är antalet atomer i reaktanterna = antalet atomer i produkterna  CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Skriva och balansera kemiska reaktionslikheter Avgör vilken reaktion som sker Kemiska formler för reaktanter och produkter Och deras aggregationstillstånd! Skriv den obalanserade reaktionslikheten Balansera reaktionslikheten m.h.a. huvudräkning Börja med de mest komplicerade molekylerna Kontrollera antalet av de olika atomslagen Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Exempel: Förbränning av metan Reaktant: CH4, O2, Produkt: CO2, H2O … CH4 +… O2→… CO2 + … H2O 1C, 4H, 2O 1C, 2H, 3O 1 CH4 +… O2→1 CO2 + 2 H2O 1C, 4H, 2O 1C, 4H, 4O 1 CH4 + 2 O2→1 CO2 + 2 H2O 1 CH4 (g)+ 2 O2(g) → 1 CO2 (g)+ 2 H2O (g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Koefficienter ska anges med minsta möjliga heltal. Viktiga regler Antalet atomer av respektive atomslag (grundämnen) måste vara lika på bägge sidor av reaktionspilen i en balanserad reaktionslikhet. Indexlägets siffra i en kemisk formel får INTE ändras för att balansera reaktionen. En balanserad reaktionslikhet ger förhållandet mellan antalet molekyler som reagerar och produceras i kemiska reaktioner. Koefficienter ska anges med minsta möjliga heltal. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning Vid 1000 °C reagerar ammoniakgas med syrgas och bildar kväveoxid och vattenånga. Reaktionen är det första steget i kommersiell produktion av salpetersyra. Skriv reaktionslikheten. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning Reaktant: NH3, O2 Produkt: NO, H2O …NH3 + …O2 → …NO + … H2O Vid 1000 °C reagerar ammoniakgas med syrgas och bildar kväveoxid och vattenånga. Reaktionen är det första steget i kommersiell produktion av salpetersyra. Skriv reaktionslikheten. Reaktant: NH3, O2 Produkt: NO, H2O …NH3 + …O2 → …NO + … H2O 2 NH3 + …O2 → …NO + 3H2O 2 NH3 + …O2 → 2 NO + 3H2O 2 NH3 + 2½O2 → 2 NO + 3H2O|x2 4 NH3 (g) + 5O2 (g)→ 4 NO (g) + 6H2O (g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Stökiometriska beräkningar Balanserade reaktionslikheter kan användas till att beräkna mängderna av ämnen som reagerar och produceras i kemiska reaktioner. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

…C2H5OH(l) + … O2 (g)  … CO2 (g) + … H2O(g) Förbränning av etanol Hur mycket vatten (g) bildas vid förbränning av 100 g etanol? Reaktant: etanol och syre Produkt: Koldioxid och vatten …C2H5OH(l) + … O2 (g)  … CO2 (g) + … H2O(g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

C2H5OH(l) + 3O2 (g)  2CO2 (g) + 3H2O (g) Förbränning av etanol C2H5OH(l) + 3O2 (g)  2CO2 (g) + 3H2O (g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Mall för att beräkna mängden reaktanter eller produkter Balansera reaktionslikheten för reaktionen Omvandla massan till substansmängd för den kända reaktanten eller produkten Den balanserade reaktionslikheten ger molförhållandet mellan reaktant och produkt Använd molförhållandet för att beräkna substansmängden av sökt reaktant/produkt Omvandla från substansmängd till massa Ge ett kort men tydligt svar med korrekt antal signifikanta siffror och rätt enhet Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Hur mycket vatten (g) bildas vid förbränning av 100 g etanol? C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l) Etanol: m = 100 g n = m/M M = 2·12.01 + 6 ·1.008 + 1 ·16.00 = 46,078 g/mol → n = 100 g / 46.078 g/mol = 2.171 mol Molförhållande C2H5OH : H2O = 1 : 3 nH2O = 3 nC2H5OH = 3 · 2.171 mol = 6.512 mol Vatten: n = 6.512 mol m = n · M M = 2 ·1.008 + 1 ·16.00 = 18.02 g/mol → m = 6.512 mol · 18.02 g/mol = 117.3 g Svar: Det bildas 117 g vatten (OBS akta signifikanta siffror!) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Beakta följande reaktion: P4(s) + ….O2(g) = …..P2O5(s) Övning Beakta följande reaktion: P4(s) + ….O2(g) = …..P2O5(s) Om 6.25 g fosfor förbränns (oxideras) enligt reaktionen ovan, hur stor mängd syrgas (g) reagerar den då med? (6.25 g P4)(1 mol P4 / 123.88 g P4)(5 mol O2 / 1 mol P4)(32.00 g O2 / 1 mol O2) = 8.07 g O2 Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning Balansera ekvationen P4(s) + 5O2(g) = 2P2O5(s) mP4 = 6.25 g MP4 = 4•30.974 g/mol MO2 = 2•15,999 g/mol nP = mP • MP = 0.050446 mol nP4 : nO2 = 1:5 nO2 = 0.2522 mol mO2= nO2.MO2 = 8.071g Svar: 8.07g (6.25 g P4)(1 mol P4 / 123.88 g P4)(5 mol O2 / 1 mol P4)(32.00 g O2 / 1 mol O2) = 8.07 g O2 Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Definition Den begränsande reaktanten är den reaktant som förbrukas först och således begränsar mängden produkt som kan bildas. Du måste först bestämma vilken reaktant som är begränsande för att kunna avgöra hur mycket produkt som kan bildas Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

CH4(g) + H2O(g)  3 H2(g) + CO(g) Ett exempel CH4(g) + H2O(g)  3 H2(g) + CO(g) Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

En blandning av CH4 och H2O som reagerar Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

CH4 och H2O reagerar till H2 och CO Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Metan är den begränsande reaktanten. Konklusion Metan är den begränsande reaktanten. Vatten finns kvar i produkt-blandningen efter fullständig reaktion. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Reaktionslikheten är ett recept 2 brödskivor + 3 korvskivor + 1 ostskiva → 1 smörgås Om vi har tillgång till 8 brödskivor 9 korvskivor 5 ostskivor Hur många smörgåsar kan tillverkas? Bestäm begränsande ingrediens. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Stökiometri – reaktioner med en begränsande reaktant Balansera reaktionslikheten Omvandla från massa till substansmängd (mol). Fastställ vilken reaktant som är begränsande. Utgå från substansmängden av den begränsande reaktanten för att fastställa hur mycket produkt som kan bildas. Omvandla från mol till massa. Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning I en process reagerar ammoniakgas med fast koppar(II)oxid till kvävgas, metallisk koppar och vattenånga. Om 18.1 g ammoniak tillförs till 90.4 g koppar(II)oxid, hur mycket kvävgas kan då bildas? Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning 2 NH3(g) + 3 CuO (s) → 3 Cu(s) + 6 H2O(g) + N2 (g) n = m/M I en process reagerar ammoniakgas med fast koppar(II)oxid till kvävgas, metallisk koppar och vattenånga. Om 18.1 g ammoniak tillförs till 90.4 g koppar(II)oxid, hur mycket kvävgas kan då bildas? 2 NH3(g) + 3 CuO (s) → 3 Cu(s) + 6 H2O(g) + N2 (g) n = m/M MNH3 =14.007+3•1,0079 = 17.031 g/mol n = 18.1/17.031 =1.0628 mol MCuO = 63.546+15.999 = 79.545 g/mol n = 90.4/79.545 = 1.1365 mol MN2 = 2•14.007=28.014 g/mol n = ? NH3 : CuO = 2:3 1.59mol CuO skulle behövas för fullständig reaktion→ CuO är begränsande Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning 2 NH3(g) + 3 CuO (s) → 3 Cu(s) + 6 H2O(g) + N2 (g) I en process reagerar ammoniakgas med fast koppar(II)oxid till kvävgas, metallisk koppar och vattenånga. Om 18.1 g ammoniak tillförs till 90.4 g koppar(II)oxid, hur mycket kvävgas kan då bildas? 2 NH3(g) + 3 CuO (s) → 3 Cu(s) + 6 H2O(g) + N2 (g) nCuO = 90.4/79.545 = 1.1365 mol CuO : N2 = 3 : 1 nN2 = 1/3 • nCuO = 0.3788 mol mN2 = 10.612 g Svar 10.6 g N2 Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Anger hur långt en kemisk reaktion går. Verkningsgrad Anger hur långt en kemisk reaktion går. Den anger hur mycket produkt som bildas i procent av den möjliga (stökiometriska) mängden Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Om 8g N2 bildas vad är då ”percent yield” Övning I en process reagerar ammoniakgas med fast koppar(II)oxid till kvävgas, metallisk koppar och vattenånga. Om 18.1 g ammoniak tillförs till 90.4 g koppar(II)oxid, hur mycket kvävgas kan då bildas? Om 8g N2 bildas vad är då ”percent yield” Copyright © Cengage Learning. All rights reserved

Övning I en process reagerar ammoniakgas med fast koppar(II)oxid till kvävgas, metallisk koppar och vattenånga. Om 18.1 g ammoniak tillförs till 90.4 g koppar(II)oxid, hur mycket kvävgas kan då bildas? Om 8.0 g N2 bildas vad är då ”percent yield” 8.0 g/10.6g x 100% = 75% Copyright © Cengage Learning. All rights reserved