بخش اول

واکنشهاي شيميايي و استوکيومتري

واکنشهاي شيميايي را مي توان به صورت معادله هايي نوشت و در آن از نمادهاي شيميايي عنصرها براي نمايش دادن آنها استفاده کرد. بر طبق قانون پايستگي جرم تعداد اتمهاي هر عنصر بايد در دو طرف معادله يکسان باشد يعني معادله بايد موازنه باشد.

 

 

موازنه کردن معادله يک واکنش شيميايي

براي موازنه کردن يک معادله ي شيميايي بايستي ضرايب مناسبي براي واکشن دهنده ها و فرآورده ها انتخاب کرد تا تعداد اتمهاي هر عنصر در دو طرف معادله واکنش برابر شود. براي اين منظور چنين عمل مي کنيم:

 

1- ابتدا معادله ي واکنش را با استفاده از نمادها و فرمولهاي شيميايي مي نويسيم.

2- ترکيبي را که بيشترين تعداد اتم را دارد انتخاب کرده و موازنه را از عنصري در اين ترکيب آغاز مي کنيم که بيشترين تعداد اتمها را دارد. اين عنصر نبايد H  يا O باشد.

3- ابتدا اتمهاي H و سپس  O  را موازنه مي کنيم.

4- مراحل ۲ و ۳ را تکرار مي کنيم تا تعداد اتمهاي هر عنصر در دو طرف معادله برابر باشد.

5- بر طبق قرارداد ضرايب بکار رفته در معادله واکنش بايستي کوچکترين عدد صحيح (غيرکسري ) باشند.

 

در مورد يونهاي چند اتمي مانند ،PO4-2 , SO4-2 وغيره بايد آنها را به صورت يک مجموعه يا ترکيب در نظر گرفت مثلاً تعداد کل بنيان4-2  SO را در دو طرف موازنه مي کنيم.

 

 

تمرين :

معادله واکنش زير را موازنه کنيد.

C4H10 + O2 ® Co2 + H2

 

ابتدا C4H10  را براي شروع موازنه انتخاب مي کنيم چون بيشترين تعداد اتم را داراست.

براي موازنه  C ضريب 4 را براي CO2 قرار ميدهيم . براي موازنه H ضريب 5 را براي H2O قرار ميدهيم.

 

C4H10 + HO2 ® 4Co2 + 5H2O

حال در طرف راست 13 اتم O داريم . پس براي O2 در چپ ضريب 2/13 را قرار مي دهيم.

C4H10 + ۱۳/۲ O2 ® 4Co2 + 5H2O

حالا کل ضرايب را در ۲ ضرب مي کنيم که ضريب کسري نداشته باشيم.

۲C4H10  +۱۳ O2 ® ۸Co2  ۱۰+H2O

 

 

تمرين :

معادله واکنش زير را موازنه کنيد.

FeCL2 + AgNO3 ® Fe(NO3)2 +  AgCl

 

موازنه را از بنيان چند اتمي No3  شروع مي کنيم و ضريب ۲ را براي AgNo3  در سمت چپ قرار مي دهيم.

FeCL2 + 2 AgNO3 ® Fe(NO3)2 +  AgCl

حال براي آنکه Ag در دو طرف موازنه باشد ضريب ۲ را براي AgCL   در سمت راست قرار مي دهيم.

FeCL2 + 2 AgNO3 ® Fe(NO3)2 +2 AgCl

حال معادله موازنه مي باشد.

 

 

انواع واکنشهاي شيميايي به پنج دسته تقسيم مي شوند.

واکنش ترکيبي واکنشي است که در آن دو يا چند ماده با هم ترکيب شده و مواد جديدي توليد مي کنند

2H2(g)+ O2(g) ® 2 H2O (L)

واکنش سوختن واکنشي است که در آن يک ماده به سرعت با گاز اکسيژن ترکيب شده و مقدار زيادي انرژي به صورت نور و گرما آزاد مي شود.

2 Mg(S)+O2 (g)  ® 2 MgO (S) + q ( (انرژي

واکنش تجزيه واکنشي است که در آن ماده با صرف انرژي به مواد ساده تر تبديل مي شود.

2KCLO3(S) ® 2KCL (S)+ 3O2(g)

 

واکنش جابجايي يگانه واکنشي است که در آن يک عنصر يون جايگزين عنصر يا يون ديگري در ترکيب مي شود.

Zn(S) + 2 AgNO3(aq) ® Zn(NO3)2(aq)+ Br2(l)

 

واکنش جابجايي دو گانه واکنشي است که در آن جاي دو عنصر در دو ترکيب با هم عوض مي شود.(مانند واکنشهاي رسوبي )

Zn Br2 (ag)+ 2AgNO3(ag)  ® 2 AgBr(S)+ Zn(NO3)2

 

 

استوکيومتري

استوکيومتري بخشي از شيمي است که با ارتباط هاي کمي بين مقدار مواد شرکت کننده در واکنشهاي شيميايي دهنده ها و فرآورده ها) سرو کار دارد. اين روابط شامل روابط وزني ، مولي ، حجمي و به طور کلي نسبت مقدار عنصرها و ترکيبها در يک واکنش مي شود.

 

 

روابط مولي – مولي در محاسبه هاي استوکيومتري

استوکيومتري فرمولي

فرمول شيميايي هر ترکيب نشان دهنده ي نوع و تعداد اتمهاي تشکيل دهنده ي آن است. بنابراين مي توان نسبت تعداد اتمهاي (يا مولهاي) هر ترکيب را از روي فرمول شيميايي آن نوشت . به عنوان مثال براي H2O مي توان نوشت :

 

تعداد اتمهاي H در يک مولکولH2O

تعداد اتمهاي O در يک مولکولH2O

=

تعداد مولهاي H  در يک مول H2O

تعداد مولهاي O در يک مول H2O

 

 

استو کيومتري واکنش

يک معادله ي موازنه شده ، رابطه ي کمي بين شمار ذره هاي واکنش دهنده ها و فرآورده ها را نشان مي دهد.

از روي ضريب مواد در معادله موازنه شده مي توان دريافت که مواد با چه نسبتهاي مولي با هم واکنش مي شوند. مثلاً براي معادله زير مي توان گفت که به ازاي هر مول O2 ،م 2  مول H2 مصرف شده و ۲ مول H20 توليد شده است.

 

 2H2 + O2 ® 2H2O

 

مثال : از واکنش 5/3 مول NaOH  و مقدار کافي H3PO4، چند مول Na2HPO4 مطابق واکنش زير بدست مي آيد؟ 

NaOH +  H3PO4 ® Na2HPO4 + 2H2O

 

1/5mol Na2HPO4

=

1mol Na2HPO4

2mol Na2OH

×

3/0 mol NaOH

=

molNa2HPO4

پاسخ:

 

 

روابط جرمي – جرمي در محاسبه هاي استوکيومتري

در اغلب مسائل جرم مواد بر حسب گرم آنها داده مي شود. در اين موارد ابتدا جرم را با دانستن جرم مولي به مول تبديل مي کنيم و بعد با استفاده از ضرايب تبديل مناسب، تعداد مول خواسته شده در مسئله را محاسبه مي کنيم. اگر جرم ماده را خواسته باشند دوباره اين مول را به جرم تبديل مي کنيم.

 

مثال : چه جرمي از اکسيژن براي واکنش کامل با 1/96 g گاز پروپان  C3H8 لازم است ؟

C3H8 (g) + 5 O2(g) ® 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)

(C3H8 =44/09  g.mol _1 و O2 = 32/0 mol_1

 

پاسخ : ابتدا مولهاي پروپان را محاسبه مي کنيم (با استفاده از جرم مولي پروپان)

2/18  mol C3H8

 =

1 mol  C3H8

44/09g C3H8

 

 ×

96/1 g C3H8

 =

Mol C3H8

 

حال تعداد مولهاي اکسيژن را با استفاده از ضريب تبديل مناسب محاسبه مي کنيم.

 

10/9 mol O2

=

5 mol o2

1mol C3H8

 

×

2/18 mol C3H8 

=

Mol O2  

با استفاده از جرم مولي O2 ، جرم اکسيژن را بر حسب گرم محاسبه مي کنيم.

349g O2

 =

32/0g O2

1mol  O2

 

 ×

10/9 mol O2 

 =

g O2

 

 

خواص مواد

مواد مورد استفاده در آزمايشگاه يا صنعت کاملاً خالص نيستند و معمولاً ناخالصي به همراه دارند. با وارد کردن درصد خلوص در محاسبه ها مي توان مقادير مورد نياز از ماده ي ناخالص را محاسبه کرد.

 

جرم مورد نياز از ماده ي خالص = درصد خلوص × جرم مورد نياز از ماده ناخالص

 

مثال : اگر بخواهيم مقدار ۲/۳۴ گاز C2H2  را از واکنش ميان CaC2(S)  و آب کافي بدست آوريم چند گرم CaC2(S) ناخالص با درصد خلوص ۷۵ % نياز داريم؟

CaC2(S) + 2H2O(L) ® Ca(OH)2(aq)+ C2H2(g)

(CaC2 = 64/1 g.mol-1   و C2H2 = 26 g.mol-1)

 

 0/09 mol C2H2

=

1mol C2H2

26 g C2H2

 

×

2/34 g C2H2

=

mol C2H2 

پاسخ:

 

0/09 mol CaC2 خالص

=

1mol CaC2

1mol C2H2

 

×

0/09mol C2H2

=

mol CaC2  خالص

پاسخ:

 

5/77g cac2

=

(64/1g cac2)

(1mol cac2)

 

×

0/09mol CaC2 خالص

=

 g CaC2 خالص 

پاسخ:

 

7/69 cac2 ناخالص

=

(100g cac2ناخالص)

75 g cac2 خالص

 

×

  5/77 g cac2  خالص

=

 g CaC2 ناخالص   

پاسخ:

 

 

روابط حجمي گازها در محاسبه هاي استوکيومتري

در فشار و حجم ثابت يک مول از گازهاي مختلف حجم ثابت و برابري دارند. همانطور که مي دانيد حجم گازها تابعي از فشار و دما است در شرايط STP (دما ْ 0 C و فشار  1 atm) هر مول گاز حجمي برابر  L۲۲/۴  اشغال مي کند.

 

در حل بعضي مسايل استوکيومتري گازها مي توان با استفاده از قانون نسبتهاي حجمي ، ضريب تبديل حجمي – حجمي مناسب را از روي معادله ي موازنه شده پيدا کرد.

در شرايط غير STP مي توان با استفاده از چگالي گازها مقدار جرم آنها را به حجم يا برعکس تبديل کرد.

 

چگالي

=

جرم

حجم

 

 

مثال : چند ليتر گاز H2  از واکنش 80/4 منيزيم با مقدار اضافي هيدروکلريک اسيد در شرايط متعارفي توليد مي شود؟

Mg (s) + 2 Hcl (aq) ® Mg Cl 2 (aq) + H2 (g)

 

0/2 mol Mg

  =

1mol Mg

24 g Mg

 

×

4/80 g Mg

=

mol Mg  

پاسخ:

 

0/2 mol H2

  =

1mol H2

1 mol Mg

 

×

0/2 Mol Mg

=

mol H2 

پاسخ:

 

4/48 L H2

  =

22/4 L H2

1 mol H2

 

×

0/2 Mol H2

=

L H2 

پاسخ:

 

 

غلظت مولي

بيشتر واکنشهاي شيميايي در محلولها و بخصوص محلولهاي آبي صورت مي گيرند. استوکيومتري واکنشها بر حسب مول تفسير مي شو. بنابر اين در محاسبه هاي استوکيومتري محلولها از «غلظت مولي» استفاده مي کنيم. غلظت مولي يا مولاريته عبارت است از تعداد مولهاي حل شده از يک ماده در ليتر محلول.

 

n ® تعداد مولهاي حل شده

v ® حجم بر حسب ليتر

 

=

M غلظت مولي

 

براي تهيه محلولهاي رقيق مي توان از رقيق کردن محلولهاي غليظ تر استفاده کرد. طبق فرمول زير :

 

n=M × V = M × v

غليظ  غليظ  رقيق رقيق 

 

مثال : براي تهيه  mol ۵     محلول kmno4  با مولاريته ۰۲/. چند گرم از ماده حل شده لازم است ؟

KMno4 = 158 g mol-1

 

= 0/01 mol KMno4

0/02 mol KMno4

پاسخ : mol KMno4 = 500 ml  × محلول

1000 ml  محلول

 

 

1/58= gKmno4

158 g Kmno4

پاسخ : g KMno4 = 0/01 mol ×

1 mol Kmno4

 

محاسبه هاي استوکيومتري در واکنشهاي انجام شده با غلظت معين را به هم اضافه مي کنيم در واقع تعداد مول مشخصي از هر يک از واکنش دهنده ها را در کنار هم قرار داده ايم. با استفاده از رابطه ي حجم – غلظت ، تعداد مول واکنش دهنده ها محاسبه مي شود و با استفاده از نسبتهاي مولي در معادله ي موازنه شده واکنش تعداد مول فرآورده ها محاسبه مي شود.

 

مثال : چه حجمي از گاز H2S در شرايط STP مي تواند از واکنش K2S اضافي با L ۱/۶۵ محلول HCL  ۰/۵۵۲ مولار بدست آيد؟

۲HCL (ag) + K2S (ag) ® H2S (g) + 2kcl(ag) 

n = M.V

nHCL(ag) = 1/65 L * 0/552 mol/l = 0/911 mol HCL

 

 

 =  0/4555 mol H2S

1 mol H2S

2 mol HCL

 

پاسخ : mol H2S = 0/911 mol HCL ×

 

 = 10/2 L

22/4 L H2S

1 mol H2S

 

پاسخ : L H2 S = 0/4555 mol H2S ×

 

 

واکنش دهندي محدود کننده

در هنگام انجام واکنشهاي شيميايي معمولاً يکي از واکنش دهنده ها به مقدار کمتر از مقدار استوکيومتري وجود دارد. بنابراين در جريان واکنش زودتر از واکنش دهنده هاي ديگر به مصرف مي رسد و تمامي مي شود.

 

اين ماده تعيين کننده پيشرفت واکنش است و آن را محدود کننده مي نامند. واکنش دهنده هاي ديگر را که پس از پايان واکنش نيز مقداري از آنها در ظرف مي ماند، واکنش دهنده هاي اضافي مي نامند.

باتوجه به نسبتهاي مولي مي توان در مسايل واکنش دهنده ي محدود کننده را مشخص کرد.

 

مثال : از واکنش g۵۰  فلزي روي با g ۱۵۰  نيترات نقره چند گرم نقره را مي توان بدست آورد؟

(Ag = 108 g mol و ۱-AgNO3  170 =  g  mol و۱- ZN = 65/4 g mol ۱-

 

پاسخ : ابتدا معادله موازنه شده ي واکنش را مي نويسيم و تعداد مول مواد واکنش دهنده را تعيين مي کنيم.

 

2 AgNO3 + Zn ® 2 Ag  + Zn( NO3)2

 

۸۸۲/.=  Mol AgNO3

(

1mol Ag NO3

)

پاسخ : mol AgNO3 = 150 g AgNO3

170gAgNO3

 

 molAgNo3

=0/765

(

1mol Zn

65/4 g Zn

 

)

پاسخ : mol ZN = 50 g Zn

 

حال بايد ماده محدود کننده را مشخص کنيم . فرض کنيم که ZN   ماده محدود کننده است. با استفاده از نسبتهاي مولي مقدار AgNO3 لازم براي واکنش با ZN  موجود را محاسبه مي کنيم.

 

= 1/53 mol AgNO3 مورد نياز

(

2mol AgNo3

1mol Zn

 

)

پاسخ : mol AgNo3 =0/765 mol Zn

 

با مقايسه  AgNo3  مورد نياز و AgNo3 موجود در صورت مساله متوجه مي شويم که انتخاب ما صحيح نبوده و  ماده محدود کننده است.

 

= 0/882 mol Ag

(

2mol Ag

2mol AgNo3

 

)

پاسخ : mol Ag = 0/882 mol AgNo3

 

= 95/256 g Ag

(

108 g Ag

1mol Ag

 

)

پاسخ : g Ag = 0/882 mol Ag

 

 

بازدهي واکنشهاي شيميايي

در بسياري از واکنشهاي شيميايي مقدار فرآورده هاي بدست آمده کمتر از مقدار محاسبه شده است. مقدار فرآورده هاي مورد انتظار از محاسبه ها را «بازده نظري» مي گويند. اغلب «بازده عملي» کمتر از بازده نظري است.

 

۱۰۰×

بازده عملي

بازده نظري

 

= بازده درصدي

 

با محاسبه بازده نظري (بيشترين مقدار ممکن فرآورده) با استفاده از واکنش دهنده ي محدود کننده مي توان بازده درصدي را محاسبه کرد.

مثال : در يک آزمايش واکنشي ميان LiBH4  به مقدارg ۵  و مقدار زيادي NH4Cl  انجام شده و B3N3H6  به مقدار 2/16  بدست آمده . معادله واکنش به صورت زير است.

3 LiBH4 + 3 NH4Cl ® B3N3H6 + 9 H2 + 3 B3N3H6

 

بازده درصدي واکنش را محاسبه کنيد.

(B3N3H6 = 80/4 mol ۱-   و  LiBH4  = 21/79  g . mol(

 

پاسخ :

در صورت مساله مشخص شده است که LiBH4 واکنش دهنده ي محدود کننده است.

 

= 0/230 mol LiBH4

(

1mol LiBH4

21/79 g LiBH4

 

)

پاسخ : mol LiBH4 = 5 g LiBH4

 

= 0/076 mol B3N3H6

(

1mol B3N3H6

3 mol LiBH4

 

)

پاسخ : mol  B3N3H6 = 0/230 mol  LiBH4

 

= 6/16 g B3N3H6

(

80/49g B3N3H6

1 mol B3N3H6

 

)

پاسخ : g B3N3H6 = 0/076 mol B3N3H6

 

 * 100 = %35/06

2/16g B3N3H6

6/16g B3N3H6 

 

بازده درصدي =

 

 

سوالات :

1- چند گرم گاز H2   در اثر واکنش کامل ۵۷ / ۸۰ گرم فلز ليتيم با آب تشکيل مي شود؟

(H2 = 2/016  g  و Li =  6/94 g)

  11/70   gH2 پاسخ

 

 

2- در حرارت هاي بالا گوگرد با آهن ترکيب شده آهن Õ  سولفيد قهوه اي رنگ مي دهد.

Fe + S ® Fe S

در تجربه اي مقدار 7/62  گرم آهن با 8/68 گرم گوگرد واکنش داده شده است.

الف ) کدام يک از دو واکنش دهنده محدود کننده است ؟                 Fe : پاسخ 

ب ) جرم Fes توليد شده را محاسبه کنيد.                                : پاسخ 12 g

ج) چندگرم از ماده ي اضافي در پايان واکنش باقي مي ماند؟          4/30 g : پاسخ

 

 

3- چند گرم Ca(CL04)2  از واکنش 12/5 گرم Cao  با ۷۵ گرم HClo4  قابل توليد است؟

CaO + 2 HCLO4 ® Ca(CL04)2 + H2O

(Ca(CL04)2 239 = g و HCLO4 = 100 g  و Cao =  56 g)

پاسخ : 53/3 g

 

 

4- چند گرم ماده ي واکنش دهنده پس از واکنش CaO   0/223  mol    با0/75  HCLO4 باقي خواهد ماند؟

(CaO =  56 g  و HCLO4 = 100 g)

پاسخ: 30/4 g

 

 

5- چند گرم سديم سولفات Na2SO4  لازم است تا محلول ۲۵۰ ميلي ليتري که غلظت آن 0/683 مولار است تهيه شود؟

پاسخ : 142/1 g

 

 

6- چگونه مي توان از اسيد نيتريک غليظ با مولاريته  ، ۵ ليتر اسيد نيتريک ۶ مولار تهيه کرد؟

 

 

7- از مقدار 20 گرم N2 و 300 گرم Br2 در طي واکنش غيرموازنه ي زير :

 

N2 + Br 2® NBr3

چند گرم فرآورده ممکن است بدست آوريم ؟

 

(NBr3 = 235/7g , Br2 = 159/8 g , N2 = 28g)

پاسخ : 318/9 g

 

 

8- يک کارخانه ، آمونيوم فسفات را به عنوان کود توليد مي کند. از ترکيب g ۶۳/۱ از اين کود با NaoH  اضافي مقدار  g۲۰  گاز NH3 توليد شده است. چند درصد کود به کار رفته در واکنش خالص بوده است ؟

(NH3 =  17 g و  (NH4)3PO4 = 149 g

3 NaOH +  (NH4)3PO4 ® 3 NH3+ 3H2O + Na3PO4

پاسخ:  %92/6

 

 

9- در واکنش زير براي تهيه گاز H2 چند گرم گاز H2 را مي توان از ۹ گرم HCL  و 50 گرم ZN تهيه کرد؟

2 HCL + ZN ® H2 + ZNCL2

( H2 =2/016 g , HCl =36/46 g , Zn = 65/39 g )

1/542g :  پاسخ

 

 

10- معادلات شيميايي زير را موازنه کنيد.

الف) C6H5CL + SiCL 4 + Na ® (C6H5)4 Si+ NaCL

ب ) HNO2 ® HNO3 + NO + H2O

ج ) HBrO3 + HBr ® Br2 + H2O

د ) As2o3 + KI + HCL ® AsI3 + KCL + H2O