Stökiometri Molberäkningar

Transkript

1 Stökiometri Molberäkninar Eftersom atomer och ekyler är så fruktansvärt små är det liksom inen ide att räkna de. Men nu faller det si så, att om man använder si av periodiska systemet och rundämnenas så kallade atommassa, så kan man ändå på ett fiffit sätt ta reda på hur måna atomer ekyler man har. Tar vi t ex manesium, M, så står där talet 24,3. Väljer vi istället järn, Fe är talet istället 55,9. Nu råkar det vara så, (tack vare en farbror som hette Avoadro ), att om vi väer upp 24,3 manesium i en bäare, och i en annan bäare väer vi upp 55,9 järn, så har vi i stort sätt lika måna atomer i båda bäarna. Antalet atomer som finns i vardera bäare är nämlien 6, st. Nu beriper du säkert att det blir alldeles för jobbit att säa 6, st hela tiden så istället kallade farbror Avoadro det antalet för en. Så 1,000 = 6, st Och tar vi 1,00 järn så väer det 55,9 Tar vi däremot 1,00 manesium så väer det endast 24,3 Antalen talet kallar vi substansmänd och den får bokstaven n och enheten Då skulle vi kunna säa att 24,3 manesium är massan för 1,00 manesium, och för att öra det lite enklare så säer vi att massan för manesium är 24,3

2 Man betecknar massan med bokstaven M och enheten för massan är Hmm om det nu är så att massa, M har enheten och substansmänden, n har enheten och sen tidiare vet vi att massan, m har enheten, så borde vi väl kunna beräkna massan, M, för en substans enom division mellan massan, m och substansmänden, n Alltså m M n Vi kan då sammanfatta att är inentin än ett antal, men antalet väer olika mycket beroende av ämnet. Man kan beräkna massan för ett ämne, om man vet ämnets massa och ämnets substansmänd. Nu när vi vet det så kan vi börja med att bestämma nåra ämnens massor med hjälp av periodiska systemet. Molmassan för väte, H 1,0 1,0079 Molmassan för syre, O 16 15,9994 Molmassan för kol, C 12 12,011 Molmassan för natrium, Na 23 22,98977 Om vi nu vill veta massan för vatten, H 2 O Så innebär det ju att vi måste multiplicera massan för väte med 2 och läa ihop det med massan för syre 2 1, = , ,9994 = 18,015 Vi ör samma sak för metan, CH ,0 = 16 12, ,0079 = 16,043 En ån till för NaOH ,0 = 40 22, , ,0079 = 39,997

3 Och etanol, C 2 H 5 OH , = , , ,9994 = 46,069 Nu när vi har blivit duktia på att beräkna massan för olika föreninar skulle vi även kunna prova på att beräkna substansmänden för ett ämne om vi känner till ämnets kemiska formel och hur mycket ämne vi har uttryckt i. Beräkna substansmänden för: 58 koldioxid 132 ammoniak 573 stearinsyra, C 18 H 36 O 2 På liknande sätt kan man beräkna massan i för en viss substansmänd av ett ämne, om man känner till ämnets kemiska formel. Beräkna massan för: 3,5 natriumklorid 5,63 järn(ii)sulfat 0,264 lukos (druvsocker) C 6 H 12 O 6 Vi ska titta lite närmare på nåra reaktionsformler, T ex kan väas reaera med syras och vid reaktionen bildas förutom värme en kemisk förenin mellan väte och syre som vi till vardas kallar vatten, H 2 O. Man kan skriva reaktionen med ord, Vätas + syras vatten + eneri Man kan även skriva reaktionen med hjälp av formler H 2 + O 2 H 2 O + eneri det finns inen kemisk formel för eneri så vi skriver den med ord. Det är ju betydlit enklare att beskriva reaktionen med hjälp av formelspråket Det som saknas nu är att reaktionen behöver balans, det vill säa att det måsta finnas lika måna atomer till vänster om pilen som till höer om pilen. (inkomst och utifter) 2H 2 + O 2 2H 2 O + eneri De blåa siffrorna framför vätas och vatten kallas koefficienter och de aner t ex hur måna vätasekyler det behövs för reaktionen. Eentlien skulle det stått

4 en blå etta framför syras eftersom det behövs precis en syrasekyl för en fullständi reaktion med två vätasekyler. Men ettor brukar man inte skriva ut, du känner säkert ien det ifrån matematiken där du skriver x istället för 1x. 2H 2 + O 2 2H 2 O + eneri är alltså en balanserad reaktionsformel som talar om för oss hur måna det behövs av varje deltaare för att reaktionen ska ske fullständit. Hur måna, kan ju tolkas på olika sätt, tex: 2 väteekyler + 1 syreekyl reaerar till 2 vattenekyler Eller om vi dubblar antalet väteekyler: 4 väteekyler + 2 syreekyl reaerar till 4 vattenekyler Ja då dubblas ju allt det andra också Nu är det kanske lite löjlit att hålla på med nåra enstaka ekyler fram för allt med tanke på deras storlek istället använder vi oss av nåra synlia mänder t ex: 2 väteekyler + 1 syreekyl reaerar till 2 vattenekyler där 1 alltid avser lika måna ekyler, nämlien Ett väldit stort antal men alltid lika måna. Som vi sa tidiare kallas substansmänden (n), så en reaktionsformel er oss alltså upplysnin om hur stora substansmänder det behövs av reaktanterna (så kallas nämlien de ämnen som står till vänster om reaktionspilen) och på samma sätt hur stora substansmänder det bildas av produkten produkterna (så kallas nämlien det som står till höer om reaktionspilen).

5 Manesium kan faktiskt brinna i koldioxid det tror man inte men ja ska visa det på en lektion. Formeln för reaktionen mellan manesium och koldioxid kan skrivas så här: M (s) + CO 2() MO (s) + C (s) Tittar du noa på reaktionsformeln ser du att det finns fler atomer till vänster om pilen. Så här ser den ut i balanserad form: 2M (s) + CO 2() 2MO (s) + C (s) Det betyder nu att 2 manesium behöver 1 koldioxid för att kunna reaera fullständit till 2 manesiumoxid och en kol. Dubblar vi substansmänden manesium dubblas ivetvis allt Nu är det lite svårt att räkna upp 2 manesium, det vill säa manesiumatomer men om vi tittar i periodiska systemet, så står där 24,3 och det betyder att: 1 M väer 24,3 massan för manesium är 24,3 /. Så vill vi att 2 manesium ska reaera med koldioxid så behöver vi alltså: 2 24,3 / = 48,6 Hur mycket koldioxid behöver vi då hmm enlit reaktionsformeln behövs 1 koldioxid Molmassan för koldioxid är 12,0 / ,0 / = 44,0 / 1 koldioxid väer alltså 44,0, vi behöver en alltså behöver vi 44,0 koldioxid (minst). Beräkna nu själv hur måna ram kol respektive manesiumoxid det bildas vid reaktionen. Sä att vi har 78,4 manesium och vi har ott om koldioxid, hur måna ram manesiumoxid kan då maximalt framställas? Vi tittar på reaktionsformeln ien 2M (s) + CO 2() 2MO (s) + C (s) Vi vill alltså veta massan för manesiumoxid och vet massan för manesium. Då ställer vi upp ett förhållande mellan manesiumoxid och manesium: n( MO) n( M) 2 2 alltså substansmänden för manesiumoxid förhåller si till substansmänden för manesium som 2 till 2, om vi förkortar som 1 till 1

6 Om vi nu multiplicerar båda sidor med substansmänden för manesium får vi istället: n( MO) n( M) alltså substansmänden manesiumoxid är lika med substansmänden manesium Hmm... Men hur kan vi nu få reda på substansmänden för manesium??? Det vi vet är att vi har 78,4 manesium, men vi vet även massan för manesium nämlien 24,3 /. Då borde vi kunna räkna ut substansmänden som motsvarar 78,4 manesium. Testa det När du nu har tait reda på substansmänden för manesium så vet du ju att substansmänden manesiumoxid är lika stor. Hur kan vi nu ta reda på hur måna ram manesiumoxid det bildas??? Vi vet substansmänden för manesiumoxid (har vi precis räknat ut) och vi vet massan för manesiumoxid, nämlien 24,3 / + 16,0 / = 40,3 / Då borde vi kunna räkna ut massan för den bildade manesiumoxiden Testa det. Vi tar ett nytt exempel Tack vara två farbröder, nämlien Herr Haber och Herr Bosch kan vi ida framställa ammoniak, NH 3, enom att låta kvävas och vätas reaera med varandra med hjälp av en lämpli katalysator. N 2() + H 2() NH 3() reaktionen är inte balanserad. I balanserat skick ser den ut så här: N 2() + 3H 2() 2NH 3() Reaktionen kan då tolkas på följande sätt: 1 kvävas behöver 3 vätas för att kunna reaera fullständit med varandra och då bildas 2 ammoniakas. Sä nu att vi har 100 vätas, hur måna ram ammoniak kan vi då maximalt framställa om vi har tillräcklit med kvävas?

7 Precis som innan så sätter vi upp ett förhållande mellan ammoniakas och vätas. n( NH ) n( H ) alltså n( NH 3) n( H 2) 3 n( H 2 )= 100 2,01 =49,6 n( NH 3 )= 2 49,6=33,1 3 m( NH 3 )=n( NH 3 ) M ( NH 3 )=33,1 17,0 =562 Hmm det här var väl lite kul Vi testar en ån till: Järn kan reaera med syras och det bildas järn(iii)oxid Fe (s) + O 2() Fe 2 O 3(s) reaktionen är inte balanserat. Försök nu att balansera reaktionen och sedan räknar du ut hur måna ram järn det behövs för att framställa 150 järn(iii)oxid. Empirisk formel Nu ska vi titta lite närmare på nåontin som kallas Empirisk Formel Hos måna ekyl- och jonföreninar är den riktia formeln samma som den empiriska formeln. T ex vatten, H 2 O koldioxid, CO 2 kalciumkarbonat, CaCO 3. Men framför allt när det äller oraniska föreninar och stora ekyler kan den empiriska formeln vara annorlunda. T ex etan, C 2 H 6 har den empiriska formeln CH 3 druvsocker, C 6 H 12 O 6 bensen, C 6 H 6 har den empiriska formeln CH 2 O har den empiriska formeln CH Om man undersöker oraniska föreninar på deras innehåll av olika rundämnen så är det anska lätt, och med hjälp av resultaten man får kan man sedan beräkna den empiriska formeln för föreninen. Vid analys av en okänt oranisk förenin hittade man 92,26 mass% kol och 7,74 mass% väte.

8 Med hjälp av det så kan vi beräkna föreninens empiriska formel. Vi antar för enkelhetens skull att vi har 100 av föreninen. 92,26 av dessa 100 utör då rundämnet kol. Då kan vi beräkna substansmänden för kol. n(c )= m(c ), 26 =92 M (C ) 12,011 Vi ör samma sak med väte =7,681 avrundat till 3 värdesiffror 7,68 n( H )= m( H ) M ( H ) = 7,74 1,0079 =7,679 avrundat till 3 värdesiffror 7,68 Det vill säa att substansmänderna för kol och för väte i föreninen är lika med varandra, alltså blir den empiriska formeln CH En ån till Vid en analys av en annan oranisk förenin fann man följande resultat: C (40%), H (6,71%), O (53,29%) Vi antar ien att vi har 100 av föreninen. Vi beräknar substansmänden kol, n(c )= m(c ) M (C ) =40,0 12,011 och substansmänden väte =3,33 n( H )= m( H ) M ( H ) = 6,71 1,0079 =6,66 och substansmänden syre n(o )= m(o ), 29 =53 M (O ) 15, 9994 =3,33 Av resultaten ser vi direkt att det finns lika måna kolatomer som syreatomer i föreninen, men antalet väteatomer är dubbelt så måna. Alltså blir den empiriska formeln CH 2 O

9 Eftersom det var så himla rolit så ör vi det en ån till Vid analysen av en kemisk förenin kom man fram till följande sammansättnin. C (59,98%), H (8,05%), O (31,96%) Som tidiare utår vi ifrån 100 av föreninen. Substansmänden kol n(c )= m(c ),98 =59 M (C ) 12,011 och substansmänden väte =4,994 n( H )= m( H ) M ( H ) = 8,05 1,0079 =7,987 och substansmänden syre n(o )= m(o ) 96 =31, M (O ) 15, 9994 =1,998 Redan nu ser man att förhållandet mellan kol : väte : syre är 5 : 8 : 2 Men om man nu inte hade sett det med en ån så finns det ett litet recept att ta reda på heltalsförhållandet Nämlien: om vi nu tar de tre substansmänderna och delar de med den minsta substansmänden så får vi följande: för kol för väte för syre 4,994 =2,499 med två värdesiffror blir det 2,5 1,998 7,987 =3, 997 med två värdesiffror blir det 4,0 1,998 1,998 =1,000 med två värdesiffror blir det 1,0 1,998 Då blir den empiriska formeln C 5 H 8 O 2 Fast det visste vi ju redan innan Glöm nu inte att träna på det vi har ått ienom

10 Fällninsreaktioner Om man blandar en bariumnitratlösnin, Ba(NO 3 ) 2(aq) med en natriumsulfatlösnin, Na 2 SO 4(aq) så bildas nåontin som kallas en fällnin. Titta på YouTube-klippet så ser du hur det år till. I klippet använder de bariumkloridlösnin, BaCl 2(aq) istället för bariumnitratlösnin, men det spelar inen roll. Vi ska titta på reaktionen som sker då dessa två lösninar blandas. I en bariumnitratlösnin finns förutom vattenekyler även bariumjoner, Ba 2+ och nitratjoner, NO 3-. I natriumsulfatlösninen finns natriumjoner, Na + och sulfatjoner, SO I blandninen finns alltså förutom vattenekyler alla fyra joner samtidit, och vi ser att det bildas en tydli fällnin, dvs ett svårlöslit ämne som så småninom sjunker till botten. Det måste ju varit två av jonerna som bildat det svårlöslia ämnet. Det kan ju inte vara två positiva joner som ått ihop inte h två neativa joner så vi kan väl anta att det måste vara en positiv och en neativ jon som tillsammans har bildat det svårlöslia ämnet. Om vi då först tittar på ett par enkla reler så blir det kanske lite lättare att tala om vilka joner det borde vara, som har bildat den svårlöslia föreninen, (fällninen). Alla alkalisalter är lättlöslia, dvs. de kan inte bilda svårlöslia föreninar. Du vet ju att det framförallt är Li, Na och K, som tillhör alkalimetallerna. Fast i det här fallet kan vi även inkludera väte, OBS! UNDANTAG. Alla ammoniumsalter är lättlöslia, alltså alla salter som innehåller ammoniumjonen, NH 4+. Alla nitrater är lättlöslia, dvs. alla salter som innehåller nitratjonen, NO 3-. Med hjälp av dessa reler blir det betydlit lättare att uttala si om fällninens namn och formel. Blandninen av bariumnitrat och natriumsulfat innehåller jo följande joner: Ba 2+, NO 3-, Na +, SO Enlit relerna så kan Na + joner och NO 3 - joner inte inå i svårlöslia föreninar, alltså inet bilda fällninar. Men eftersom vi tydlien fick en fällnin så måste det ju vara bariumjoner och sulfatjoner som har ått samman och bildat fällninen. Vi kan då skriva på följande sätt: Ba 2+ + SO 4 2- BaSO 4(s) Bariumsulfat Ba NO Na + + SO 4 2- BaSO 4(s) + 2Na + + 2NO 3 -

11 Ba(NO 3 ) 2(aq) + Na 2 SO 4(aq) BaSO 4(s) + 2NaNO 3(aq) Du får välja själv vilken typ av reaktionsformel du vill använda Själv föredrar ja den första, den röna alltså för där är det minst att skriva. Vi ska testa det hela en ån till Om vi blandar en lösnin av natriumklorid med en annan lösnin, innehållande silver(i)nitrat så bildas även här en fällnin. Då börjar vi med vilka joner som finns i lösninarna: Natriumkloridlösninen, Na + och Cl - Silver(I)nitratlösninen, A + och NO 3 - Precis som tidiare så kan natriumjoner och nitratjoner inte bilda nåra svårlöslia salter, alltså måste det vara silver(i)jonen och kloridjonen som har bildat fällninen. Då kan vi skriva reaktionsformeln: A + + Cl - ACl (s) Silver(I)klorid Testa nu själv: Det bildas en fällnin då man blandar: Silver(I)nitratlösnin med natriumtiocyanatlösnin Koppar(II)nitratlösnin med kaliumhydroxidlösnin Bly(II)nitratlösnin med natriumkloridlösnin Silver(I)nitratlösnin med kaliumkromatlösnin Järn(III)nitratlösnin med natriumhydroxidlösnin Skriv reaktionsformler för samtlia fällninar och ane fällninens namn. Vad kan man då mer öra med alla dessa fällninar Måna åner använder man de bara för att ta reda på vilka joner det finns i olika lösninar, som dricksvatten, havsvatten, avloppsvatten. Men man kan även ta reda på hur mycket av en jon det finns i en lösnin. Vi vet ju alla att havsvatten är salt, alltså bör det innehålla natriumklorid. Vi vet också att silver(i)joner bildar fällnin med kloridjoner. Alltså borde man kunna blanda havsvatten med silver(i)nitratlösnin, så att det bildas svårlöslit silver(i)klorid. Fällninen kan vi filtrera enom ett filterpapper, sedan torkar vi fällninen och sen kan vi väa den

12 Vi antar att vi har en liter havsvatten, vi tillsätter silver(i)nitratlösnin så att alla kloridjoner får varsin silver(i)jon. Vi filtrerar blandninen enom ett filterpapper, torkar filterpappret och fällninen och väer den. Massan för fällninen bestäms till 0,7492 Vi vet ju att fällninen består av silver(i)klorid, så vi kan skriva en enkel reaktionsformel: A + + Cl - ACl (s) Nu vet vi att silver(i)kloridens massa är 0,7492, dessutom kan vi beräkna massan för silver(i)klorid. M(ACl) = 107,87 / + 35,453 / = 143,323 / Då kan vi beräkna silver(i)kloridens substansmänd m( ACl ) n( ACl )= M ( ACl ) = 0, ,323 =0, Vi har alltså hittat 0, ACl Tittar vi på reaktionsformeln ien, A + + Cl - ACl (s) Så ser vi att det behövs 0, kloridjoner för att det ska kunna bildas 0, silver(i)klorid. Alltså måste det finnas 0, kloridjoner i en liter havsvatten. Om vi nu vidare antar, att kloridjonerna kommer ifrån natriumklorid, NaCl, så kan vi beräkna hur måna ram natriumklorid det finns i havsvattnet. Vi behöver bara massan för NaCl och den är 58,443 /. m( NaCl )=n( NaCl ) M ( NaCl )=0, , 443 =0, 3055 Det finns alltså 0,3055 NaCl i en liter havsvatten, så kan vi säa att det finns 0,3055 NaCl i ett k havsvatten. Det blir ca 0,03% salthalt. Testa själv nu: Vi har en koppar(ii)sulfatlösnin och vill bestämma hur mycket koppar(ii)sulfat som finns löst i lösninen. Vi mäter upp 100,0 ml av lösninen och tillsätter bariumnitratlösnin tills det inte bildas nåon mer fällnin. Vi filtrerar fällninen, torkar den och väer den. Massan för fällninen bestämdes till 1,038.

13 Hur måna ram koppar(ii)sulfat fanns i den ursprunlia koppar(ii)sulfatlösninen? Lösninars halt och koncentration När vi nu ändå håller på med ämnen som är lösta i ett lösninsmedel, (för det mesta är lösninsmedlet vatten), så kan vi likväl prata om lösninarnas halt respektive koncentration. Om vi tar 15,0 NaCl och löser det i 1,0 dm 3 destillerat vatten så kommer den totala volymen knappast att ändras så vi har fortfarande 1,0 dm 3. Då kan vi säa att lösninens natriumkloridhalt är 15,0 /dm 3. Men eftersom vi är så duktia på räknin nu så kan vi även beräkna substansmänden för NaCl. m( NaCl ) n( NaCl )= M ( NaCl ) =15,0 58, 443 =0,257 Då finns det alltså 0,257 NaCl i 1,0 dm 3 lösnin. Detta kallas lösninens koncentration uttryckt i /dm 3. Det är det vanliaste sättet att ane hur mycket löst ämne det finns i en viss lösnin. Koncentrationen betecknas med lilla c och har enheten 3 och eftersom dm enheten är kvoten mellan substansmänden i och volymen i dm 3 så kan vi även ställa upp en beräkninsformel för koncentrationen. c= n V där c är koncentrationen i /dm 3 n är substansmänden i V är volymen i dm 3 Exempel. Man löser 2,54 kaliumbromid i destillerat vatten och späder lösninen till en volym av 0,500 dm 3. Beräkna lösninens kaliumbromidkoncentration. (kaliumbromid, KBr) Vi använder oss av ovanstående formel: n( KBr ) 2,54 c( KBr )= = =5,08 V (lösnin ) 3 0,500 dm dm 3 5,08 M Så lösninen koncentration är alltså 5,08 /dm 3 5,08 M vilket betyder ar.

14 När man framställer ara lösninar använder man si i reel av en speciell typ av kolvar, så kallade mätkolvar. Här ser du nåra exempel på olika mätkolvar. Som du ser på den första bilden så kar mätkolvarna ett märke i form av en rin unefär mitt på den lånsmala halsen. Om man fyller mätkolven till det märket så innehåller kolven den anivna volymen med stor norannhet.