Mass-samband i kemiska reaktioner Kapitel 3

Mikrokosmos atomer & molekyler Makrokosmos gram Atom-massa är massan av en atom i atom-massenheter (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)

Molmassan är massan av 1 mol av i gram skor atomer ägg Molmassan är massan av 1 mol av i gram skor 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 Fe Cu

1 12C atom 12.00 amu 12.00 g 6.022 x 1023 12C atomer = 1.66 x 10-24 g 1 amu x 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?

1 mol = 6.022 × 1023 partiklar (atomer) 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?

moilekylmassa (amu) = molmassa (grams) Molekylmassan (el molecular weight) är summan av atommassorna (i amu) i en molekyl. SO2 1S 32.07 amu 2O + 2 x 16.00 amu SO2 64.07 amu För en molekyl moilekylmassa (amu) = molmassa (grams) 1 SO2-molekyl = 64.07 amu 1 mol SO2 = 64.07 g SO2

formelmassa (amu) = molmassa (gram) Formelmassan är summan av atom-massor (i amu) i en formelenhet av en jonförening. NaCl 1Na 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

n x molmassa för grundämne molmassa för förening x 100% Procentuell sammansättning av ett grundämne i en förening = n x molmassa för grundämne molmassa för förening x 100% n är antalet mol av grundämnet i 1 mole av föreningen. %C = 2 x (12.01 g) 46.07 g x 100% = 52.14% C2H6O %H = 6 x (1.008 g) 46.07 g x 100% = 13.13% %O = 1 x (16.00 g) 46.07 g x 100% = 34.73% 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?

Dela med minsta värde (0.25) Empirisk formel C2H6O Förbränn 11.5 g etanol Samla in 22.0 g CO2 och 13.5 g H2O g CO2 mol CO2 mol C g C 6.0 g C = 0.5 mol C g H2O mol H2O mol H g H 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 Skriv korrekta formler för reaktanter och produkter. Etan reagerar med syre under bildning av koldioxid och vatten. C2H6 + O2 CO2 + H2O 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 Börja med att balanser de element som finns i endast en reaktant och en produkt. C2H6 + O2 CO2 + H2O börja med C eller H men inte O 1 kol till höger 2 kol till vänster multiplicera CO2 med 2 C2H6 + O2 2CO2 + H2O 6 väten till vänster 2 väten till höger multiplicera H2O med 3 C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O

Att balansera kemiska ekvationer Balansera de element som finns i två eller flera reaktanter eller produkter. multiplicera O2 med 7 2 C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O 2 syre till vänster 4 syre (2x2) + 3 syre (3x1) = 7 syre till höger C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O 7 2 Omvandla till heltal Multiplicera bägge sidor med 2 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O

Att balansera kemiska ekvationer Kontrollera att du har samma antal atomer av varje typ på bägge sidor av ekvationen. 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 4 C (2 x 2) 4 C 12 H (2 x 6) 12 H (6 x 2) 14 O (7 x 2) 14 O (4 x 2 + 6) Reaktanter Produkter 4 C 12 H 14 O

Massberäkningar i kemiska reaktioner Skriv en balanserad kemisk ekvation Omvandla kvantiteter av kända substanser till mol Använd koefficienter i balanserade ekvationer för att beräkna antalet mol av den sökta kvantiteten 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 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. Beräkna det teoretiska utbytet av Ti (i gram). Beräkna det procentuella utbytet om det verkliga utbytet av Ti är 7.91 × 106 g.

3.17 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