Kapitel 3 Innehåll Kapitel 3 Stökiometri 3.1 Räkna genom att väga 3.2 Atommassor 3.3 Molbegreppet 3.4 Molmassa 3.5 Problemlösning 3.6 3.7 3.8 Kemiska reaktionslikheter 3.9 3.10 3.11 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Kapitel 3 Kemisk stökiometri Stökiometri, (från grekiskans stoicheion, grundämne, och metron, mått), läran om de mängdförhållanden i vilka kemiska ämnen reagerar med varandra Avsnitt 3.1 Räkna genom att väga Kan utföras om den genomsnittliga massan för partiklarna är känd. Man utgår sedan från att dessa är identiska. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Avsnitt 3.2 Atomic Atommassor Masses Avsnitt 3.2 Atomic Atommassor Masses Atommassor Ett grundämnes atommassa är medelvärdet av de naturligt förekommande isotopernas massor. Alla atommassor graderas på en skala som tillskriver isotopen 12 C 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 kolisotopen 12 C Masspektrometer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1
Avsnitt 3.2 Atomic Atommassor Masses Massan hos olika atomslag (grundämnen) Grundämnen förekommer i naturen som blandningar av olika tunga isotoper Förekomst Vikt Kol = 98.89% 12 C 12 amu 1.11% 13 C 13.003 amu <0.01% 14 C 14.003 amu Grundämnet kols atommassa är således i medeltal något över 12 amu: 12.011 amu Avsnitt 3.3 The Molbegreppet Mole Substansmängd (mol) Antalet kolatomer i 12 gram 12 C. Ett styckemått som dussin, gross (12 dussin), tjog, skog (3 tjog) o.s.v. 1 mol = 6.022 10 23 st Avogadros tal (N A ) = 6.022 10 23 atomer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Avsnitt 3.3 The Molbegreppet Mole En mol vardera av Avsnitt 3.3 The Molbegreppet Mole Jämförelse mellan massorna hos 1 mol av olika grundämnen koppar jod kvicksilver aluminium svavel järn Ken O'Donoghue Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 10 Avsnitt 3.3 The Molbegreppet Mole Atommassan och molmassan Atommassenheten är kopplad till Avogadros tal (N A ) och SI-enheten mol så att en mol av 12 C med atom- eller molekyl-massan 12amu väger exakt 12 gram 6.023 10 12 6.023 10. 1 å: /! Det betyder at M w = molmassan kan hittas direkt från periodiska systemet = atommassan Avsnitt 3.4 Molmassa Molmassa Ett ämnes molmassa (M) är massan av ett mol av ämnet är atommassan i gram (g/mol) För ett grundämne är molmassan = atommassa M grafit = M C = 12.01 amu = 12.01 g/mol För en kemisk förening utgår man från formeln M CO2 = M C + 2 M O = 12.01g/mol + 2 16.00 g/mol = 44.01 g/mol Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12 2
Avsnitt 3.4 Molmassa Förhållandet mellan massa (m), molmassa (M) och substansmängd (n) Avsnitt 3.4 Molmassa Begreppskoll Följande 4 prov innehåller en mol atomer. Vilket är vilket? Al, Fe, Cu och Zn? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 Avsnitt 3.5 Problemlösning 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. Vad är en förening? Hur mycket av vad? procentuella sammansättning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16 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 Exempel Beräkna molmassan av CO 2 3
Exempel Beräkna molmassan av CO 2 Lösning: 1 atom CO 2 = 1 atom C+2 atomer O 1mol CO 2 = 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 CO 2 44.01 g M CO2 = 44.01 g/mol 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 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 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 = CH 3 OH 1 mol CH 3 OH innehåller 1 mol C =12.01g C M CH3OH = M C +4xM H +M O =12.01+4x1.008+16.00= 32.04 g/mol Alltså 1 mol CH 3 OH 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 24 4
Olika slags formler Molekylformeln visar antal av varje atomslag i en molekyl Molekylformel för bensen: C 6 H 6 Den empiriska formeln ger heltalsförhållandet 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 25 Bestämning av en förenings empiriska formel 1. Utgå från den procentuella sammansättningen 2. Antag 100 gram av förening. 3. Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. 4. Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden. 5. Multiplicera varje värde med n tills heltal erhålles. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 En förenings empiriska formel Bestäm den empiriska formeln och molekylformeln för en förening som har följande procentuella viktssammansättning: Cl: 71.65% C: 24.27% H: 4.07% M w = 98.96 g/mol 1. Utgå från den procentuella sammansättningen - 71.65 % Cl, 24.27 % C och 4.07 % H 2. Antag 100 gram av förening. Lösning 100g förening innehåller 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 En förenings empiriska formel 1. Utgå från den procentuella sammansättningen 2. Antag 100 gram av förening. - 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H 3. 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 1. Utgå från den procentuella sammansättningen 2. Antag 100 gram av förening. - 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H 3. Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. - 2.021 mol Cl, 2.021 mol C, 4.04 mol H 4. Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden - Dividera med 2.021 ger empiriska formel ClCH 2 - Molekyl formel är (ClCH 2 ) n 5
En förenings empiriska formel 1. Utgå från den procentuella sammansättningen 2. Antag 100 gram av förening. - 71.65 g Cl, 24.27 g C och 4.07 g H 3. Bestäm antalet mol av varje grundämne i 100 gram av föreningen. - 2.021 mol Cl, 2.021 mol C, 4.04 mol H 4. Dividera alla substansmängder med den minsta substansmängden - Empiriska formeln är (ClCH 2 ) n 5. Multiplicera varje värde med n tills heltal erhålles. - M (ClCH2)n = 98.96 g/mol - M (ClCH2)n = n (M Cl +M C + 2 M H )=n 49.48 g/mol. / 98.96 g/mol =n 49.48g/mol och n 2. / Sammanfattning Stökiometri= Studiet av kvantiteterna av olika ämnen som förbrukas och produceras i kemiska reaktioner Massa% ä ö 100% ö 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved. 3 32 Avsnitt 3.8 Kemiska reaktionslikheter 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 Avsnitt 3.8 Kemiska reaktionslikheter Kemiska reaktionslikheter En reaktionslikhet representerar den kemiska reaktionen med hjälp av en reaktionspil. reaktanter produkter metan + syrgas koldioxid + vatten CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O(g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Avsnitt 3.8 Kemiska 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 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) Avsnitt 3.9 Skriva och balansera kemiska reaktionslikheter 1. Avgör vilken reaktion som sker för reaktanter och produkter Och deras aggregationstillstånd! 2. Skriv den obalanserade reaktionslikheten 3. Balansera reaktionslikheten m.h.a. huvudräkning Börja med de mest komplicerade molekylerna 4. Kontrollera antalet av de olika atomslagen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36 6
Avsnitt 3.9 Exempel: Förbränning av metan Reaktant: CH 4, O 2, Produkt: CO 2, H 2 O CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O 1C, 4H, 2O 1C, 2H, 3O 1CH 4 + O 2 1CO 2 + 2 H 2 O 1C, 4H, 2O 1C, 4H, 4O 1CH 4 + 2 O 2 1CO 2 + 2 H 2 O Avsnitt 3.9 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. 1CH 4 (g)+ 2 O 2 (g) 1CO 2 (g)+ 2 H 2 O (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Avsnitt 3.9 Avsnitt 3.9 Vid 1000 C reagerar ammoniakgas med syrgas och bildar kväveoxid och vattenånga. Reaktionen är det första steget i kommersiell produktion av salpetersyra. Skriv reaktionslikheten. 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: NH 3, O 2 Produkt: NO, H 2 O NH 3 + O 2 NO + H 2 O 2NH 3 + O 2 NO + 3H 2 O 2NH 3 + O 2 2 NO + 3H 2 O 2NH 3 + 2½O 2 2 NO + 3H 2 O x2 4 NH 3 (g) + 5O 2 (g) 4 NO (g) + 6H 2 O (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 Balanserade reaktionslikheter kan användas till att beräkna mängderna av ämnen som reagerar och produceras i kemiska reaktioner. Förbränning av etanol Hur mycket vatten (g) bildas vid förbränning av 100 g etanol? Reaktant: etanol och syre Produkt: Koldioxid och vatten C 2 H 5 OH (l) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7
Avsnitt 3.9 Förbränning av etanol C 2 H 5 OH (l) + 3O 2 (g) 2CO 2 (g) + 3H 2 O (g) Mall för att beräkna mängden reaktanter eller produkter 1. Balansera reaktionslikheten för reaktionen 2. Omvandla massan till substansmängd för den kända reaktanten eller produkten 3. Den balanserade reaktionslikheten ger molförhållandet mellan reaktant och produkt 4. Använd molförhållandet för att beräkna substansmängden av sökt reaktant/produkt 5. Omvandla från substansmängd till massa 6. Ge ett kort men tydligt svar med korrekt antal signifikanta siffror och rätt enhet Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Hur mycket vatten (g) bildas vid förbränning av 100 g etanol? 1. C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (l) Etanol: m = 100 g n = m/m 2. 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 C 2 H 5 OH : H 2 O = 1 : 3 3. n H2O = 3 n C2H5OH = 3 2.171 mol = 6.512 mol 4. 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!) Beakta följande reaktion: P 4 (s) +.O 2 (g) =..P 2 O 5 (s) Om 6.25 g fosfor förbränns (oxideras) enligt reaktionen ovan, hur stor mängd syrgas (g) reagerar den då med? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Definition Balansera ekvationen P 4 (s) + 5O 2 (g) = 2P 2 O 5 (s) m P4 = 6.25 g M P4 = 4 30.974 g/mol M O2 = 2 15,999 g/mol n P = m P M P = 0.050446 mol n P4 : n O2 = 1:5 n O2 = 0.2522 mol m O2 = n O2.M O2 = 8.071g Svar: 8.07g 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 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8
Ett exempel En blandning av CH 4 och H 2 O som reagerar CH 4 (g) + H 2 O(g) 3 H 2 (g) + CO(g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 50 CH 4 och H 2 O reagerar till H 2 och CO Konklusion Metan är den begränsande reaktanten. Vatten finns kvar i produktblandningen efter fullständig reaktion. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52 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. Stökiometri reaktioner med en begränsande reaktant 1. Balansera reaktionslikheten 2. Omvandla från massa till substansmängd (mol). 3. Fastställ vilken reaktant som är begränsande. 4. Utgå från substansmängden av den begränsande reaktanten för att fastställa hur mycket produkt som kan bildas. 5. Omvandla från mol till massa. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54 9
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? 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 NH 3(g) + 3 CuO (s) 3 Cu (s) + 6 H 2 O (g) + N 2 (g) n = m/m M NH3 =14.007+3 1,0079 = 17.031 g/mol n = 18.1/17.031 =1.0628 mol M CuO = 63.546+15.999 = 79.545 g/mol n = 90.4/79.545 = 1.1365 mol M N2 = 2 14.007=28.014 g/mol n =? NH 3 : CuO = 2:3 1.59mol CuO skulle behövas för fullständig reaktion CuO är begränsande Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56 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 NH 3(g) + 3 CuO (s) 3 Cu (s) + 6 H 2 O (g) + N 2 (g) n CuO = 90.4/79.545 = 1.1365 mol Verkningsgrad Anger hur långt en kemisk reaktion går. Den anger hur mycket produkt som bildas i procent av den möjliga (stökiometriska) mängden CuO : N 2 = 3 : 1 n N2 = 1/3 n CuO = 0.3788 mol m N2 = 10.612 g Svar 10.6 g N 2 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58 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 N 2 bildas vad är då percent yield 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 N 2 bildas vad är då percent yield 8.0 g/10.6g x 100% = 75% Copyright Cengage Learning. All rights reserved 59 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 60 10