7. Kémia egyenletek rendezése, sztöchiometria

Átírás

1 7. Kémia egyenletek rendezése, sztöchiometria A kémiai egyenletírás szabályai (ajánlott irodalom: Villányi Attila: Ötösöm lesz kémiából, Példatár) 1.tömegmegmaradás, elemek átalakíthatatlansága az egyenlet két oldalán az egyes atomok száma, így a két oldal tömege megegyezik 2. a reaktánsok a bal, a termékek a jobb oldalon vannak 3. a reakcióban szereplő anyagok képletét figyelembe kell venni például az anyagmegmaradás szerint helyes az N 2+H 2=2NH, de nincs stabil NH molekula, csak NH 3 NaCl + AgNO 3 = NaAg + ClNO 3, ahol nem létező ionvegyületek szerepelnek 4. töltésmegmaradás: ionegyenleteknél kell rá odafigyelni 5. a kémia törvényszerűségeit figyelembe kell venni, pl. bizonyos reakciók nem mennek végbe, bár az egyenlet formálisan felírható (CH 4 + 2Cl 2 = CCl 4 + 2H 2) egyenlőségjel: azt fejezi ki, hogy az anyagok egymással maradék nélkül reagálnak nyíl: a reakció során a reaktánsokból termékek képződnek kettős nyíl: a reakció egyensúlyra vezet Néhány gyakorlati tanács a kémiai egyenletek írásához/befejezéséhez: Gondoljuk meg milyen jellegű anyagok reagálnak! A szervetlen vagy a szerves kémia foglalkozhat-e a reakcióval? Oldatban megy-e a reakció? Várható-e, hogy bizonyos anyagok ionjaikra disszociálnak? Van-e lehetőség sav-bázis reakcióra? Változhat-e valamely elem oxidációs száma a reakció során? Van-e jelen erős oxidáló/redukálószer? Egyszerű reakcióegyenletek rendezése Írjunk fel helyes kémiai egyenletet a nitrogén + hidrogén reakcióra! 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét N 2 + H 2 = NH 3 2N 1N szükség esetén egész molekulát többszörözünk N 2 + H 2 = 2NH 3 2H 6H N2 + 3H2 = 2NH3 Írjunk fel helyes kémiai egyenletet az alumínium+oxigén reakcióra! 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét Al+O 2=Al 2O 3 oxigén 2O 3O Al+3O 2=2Al 2O 3 alumínium 1Al 4Al 4Al+3O2=2Al2O3 Írjunk fel helyes kémiai egyenletet a hidrazin+dinitrogén-tetroxid=> víz+nitrogén reakcióra! 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét! tema07_biolf_

2 N 2H 4 + N 2O 4 = H 2O + N 2 legyen ez az oxigén N 2H 4 + N 2O 4 = H 2O + N 2 4O 1O N 2H 4 + N 2O 4 = 4H 2O + N 2 hidrogén N 2H 4 + N 2O 4 = 4H 2O + N 2 4H 8H 2N 2H 4 + N 2O 4 = 4H 2O + N 2 nitrogen 2N 2H 4 + N 2O 4 = 4H 2O + N 2 4N 2N 2N 2N2H4 + N2O4 = 4H2O + 3N2 Ebben a reakcióban csak a nitrogén oxidációs száma változott, különböző értékekről egy közös értékre: szinproporció. Cl 2 + H 2O = HOCl + HCl Ebben a reakcióban csak a klór oxidációs száma változott, azonos értékről különböző értékekre: diszproporció. Rendezzük az alábbi egyenletet: PCl 3+H 2O=H 3PO 3+HCl P: erre OK Cl erre egyeztetni kell PCl3+3H2O=H3PO3+3HCl rendezzük: TiCl 4+2H 2O=TiO 2+4HCl Ti OK, Cl kell TiCl4+2H2O=TiO2+4HCl rendezzük: Al(OH) 3+H 2SO 4=Al 2(SO 4) 3+H 2O Al, majd SO 4 2 Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O Írunk fel helyes kémiai egyenletet a FeS 2+O 2 reakcióra! 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét! fontos, hogy ne az oxigénnel kezdjük, mert a termékek között több anyag is tartalmaz oxigént! 1Fe,2S 2Fe 1S először nézzük a ként FeS 2+O 2=Fe 2O 3+2SO 2 1Fe,2S 2Fe 2S vas 2FeS 2+O 2=Fe 2O 3+2SO 2 2Fe,4S 2Fe 2S újra a kén 2FeS 2+O 2=Fe 2O 3+4SO 2 2Fe,4S 2Fe 4S jöhet az oxigén 2FeS 2+5,5O 2=Fe 2O 3+4SO 2 egész számokat hozunk létre 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO tema07_biolf_

3 Ez így már nem volt egyszerű. Rendezzünk egyenleteket oxidációs számok alapján! alumínium+oxigén 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét és írjuk az egyes elemek fölé az oxidációs számukat! Al+O 2=Al 2O 3 2. válasszuk ki azokat az atomokat, amelyeknek változik az oxidációs száma Al, O 3. írjuk a változásokat az egyenlet alá kis nyilakkal Al+O 2=Al 2O *2 4. állapítsuk meg a redoxi reakcióban részt vevő vegyületek sztöchiometriai számát úgy, hogy az oxidációsszám-változások megegyezzenek (ez nem más, mint a legkisebb közös többszörös keresése!). Ezután tilos a redoxireakcióban részt vevő anyagok arányát megváltoztatni (ez egész egyenletet többszörözni lehet)! 4Al+3O2=2Al2O3 Rendezzük újra a FeS2+O2 reakciót ezzel a módszerrel! 1. írjuk fel a reagáló anyagok és a termékek helyes képletét és írjuk az egyes elemek fölé az oxidációs számukat! válasszuk ki azokat az atomokat, amelyeknek változik az oxidációs száma Fe, S, O 3. írjuk a változásokat az egyenlet alá kis nyilakkal *5-2*2 az egy vegyületben lévő atomok oxidációs számának változását összeadjuk állapítsuk meg a redoxi reakcióban részt vevő vegyületek sztöchiometriai számát úgy, hogy az oxidációsszám-változások megegyezzenek. Ezután tilos a redoxireakcióban részt vevő anyagok arányát megváltoztatni (ez egész egyenletet többszörözni lehet)! 4FeS 2+11O 2=Fe 2O 3+SO 2 5. szükség esetén egyeztessük a már tanult módon az atomok számát 4FeS 2+11O 2=Fe 2O 3+SO 2 4Fe 8S 22O 2Fe 3O 1S 2O 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 ellenőrzés: 4Fe 8S 22O 4Fe 6O 8S 16O további egyenletek rendezése oxidációs szám alapján: PbS +H 2O 2 = PbSO 4 +H 2O *1 2* * S +8, O 2 PbS+4H2O2=PbSO4+4H2O ionegyenletek rendezése: figyelni kell töltésmegmaradásra/töltésmérlegre! Fe 3+ + I = Fe 2+ + I 2 Fe rendben, I-t kell egyeztetni 2Fe 3+ +2I =2Fe 2+ +I2 Ellenőrizzük a töltésmérleget! Sok esetben a töltésmérleget csak úgy tudjuk kiegyensúlyozni, ha az oldatban a kémhatástól függően jelen lévő oxóniumionokat (hidrogénionokat) vagy hidroxidionokat felhasználjuk: Ilyenkor figyeljünk arra, hogy az egyenletben ne szerepeljen egyszerre H + és OH tema07_biolf_

4 a permanganát ion a közeg ph-jától függően különbözőképpen reagálhat a szulfit ionnal: MnO 4 +SO 3 2 +H + =Mn 2+ +SO 4 2 +H 2O MnO 4 +SO 3 2 +H 2O=MnO(OH) 2+SO 4 2 +OH MnO 4 +SO 3 2 +OH =MnO 4 2 +SO 4 2 +H 2O A fenti egyenleteket rendezve: 2MnO4 +5SO3 2 +6H + =2Mn 2+ +5SO4 2 +3H2O 2MnO4 +3SO3 2 +3H2O=2MnO(OH)2+3SO4 2 +2OH 2MnO4 +SO3 2 +2OH =2MnO4 2 +SO4 2 +H2O A reakcióegyenlet egyik fontos felhasználása: a sztöchiometriai számítások Sztöchiometriai feladatoknak nevezzük azokat a feladatokat, amelyek megoldása során a kémiai reakcióegyenletek mennyiségi jelentését kihasználjuk. Vizsgáljuk meg a propán teljes égésének reakcióját! propán+oxigénó: C 3H 8 + O 2 = CO 2 + H 2O rendezve: C 3H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2O mit jelent ez? például: - propán oxigénnel reagálva szén-dioxidot és vizet ad - 1 mol propán 5 mol oxigénnel reagál - 1 mol propánból 3 mol szén-dioxid és 4 mol víz keletkezik - 5 mol oxigénből 3 mol szén-dioxid és 4 mol víz keletkezik - 1 mol szén-dioxid 1/3 mol propánból és 5/3 mol oxigénből keletkezik - 1 mol víz 1/4 mol propánból és 5/4 mol oxigénből keletkezik A reakció során 6 mol szén-dioxid képződik. Ehhez hány mól oxigén kell? 10 mol 3 mol oxigénből hány mól víz képződik a reakció során? 12/5 mol A sztöchiometriai feladatok megoldását mindig a reakcióegyenlet felírásával, rendezésével kezdjük. Jó stratégia, ha megpróbáljuk az egyenletben szereplő lehető legtöbb anyag anyagmennyiségét kiszámolni. 32 g oxigén reagál a fenti egyenlet szerint. Hány g széndioxid, illetve víz képződik? 32 g O 2 1 mol (32 g / 32 g/mol = 1 mol) 1 mol O 2-ből 3/5 mol CO 2 illetve 4/5 mol H 2O keletkezik m(co 2) = n(co 2) * M(CO 2) = 3/5 mol * 44 g/mol = 26,4 g m(h 2O) = n(h 2O) * M(H 2O) = 4/5 mol * 18 g/mol = 14,4 g Hány g vas reagál 10,00g kénporral, és hány g vas(ii)-szulfid keletkezik? reakcióegyenlet felírása: Fe+S=FeS n S=10 g / 32,06 (g/mol)=0,3119 mol m Fe=0,3119 mol 55,85 (g/mol)=17,42 g m FeS=0,3119 mol 87,91 (g/mol)=27,42 g Amikor a reaktánsok olyan arányban vannak, hogy a reackióegyenlet szerint teljesen elfogyhatnak a reakció során, akkor SZTÖCHIOMETRIKUS ÖSSZETÉTELről beszélünk. Gyakran nem ez a helyzet, ekkor valamelyik reaktáns FELESLEGben van. Ebben az esetben a reakció teljes lejátszódása után valamelyik reaktánsból marad valamennyi (ez a reaktáns volt feleslegben). Sztöchiometrikus összetétel, felesleg vizsgálata 10 gramm hidrogént reagáltatunk 10 gramm oxigénnel. Hány gramm víz keletkezik? Ha valamelyik anyag feleslegben van, mennyi marad belőle a reakció után? 2 H 2 + O 2 = 2 H 2O n H2 = 10 g / (2,0 g/mol) = 5,0 mol tema07_biolf_

5 n O2 = 10 g / (32,0 g/mol) = 0,3125 mol A 2:1 anyagmennyiség arány lenne sztöchiometrikus. A megadott elegy NEM SZTÖCHIOMETRIKUS, a hidrogénből több van, mint kellene (5:0,3125 > 2:1). 0,3125 mol oxigén 2 0,3125 mol hidrogénnel reagál (0,625 mol). Tehát 5,0 mol 0,625 mol = 4,375 mol, azaz 8,75 g a hidrogén feleslege. A keletkező víz anyagmennyisége megegyezik a hidrogénével, tehát 0,625 mol, ami 11,25 g. ÖLK 126/B Hány mol alumínium szükséges 1,9 g alumínium-szulfát előállításához az alumínium+kénsav reakcióban? 2 Al + 3 H 2SO 4 = Al 2(SO 4) H 2 Az alumínium-szulfát összegképlete: Al 2(SO 4) 3, így moláris tömege: M = 342 g/mol 1,9 g alumínium-szulfát anyagmennyisége n = m/m = 1,9 g / 342 g/mol = 0, mol Ennek az anyagmennyiségnek a kétszerese kell alumíniumból, tehát 0, mol, megfelelően kerekítve 0,011 mol. ÖLK 130/A Mikor fejlődik több hidrogéngáz: ha 4,00g magnéziumot vagy ha 4,00g alumíniumot kísérelünk meg feloldani 100,0 cm 3 1,00 mol/dm 3 -es kénsavoldatban? Mg + H 2SO 4 = MgSO 4 + H 2 2Al + 3H 2SO 4 = Al 2(SO 4) 3 + 3H 2 M Mg = 24,3 g/mol M Al = 27,0 g/mol n Mg = 4 g / 24,3 g/mol = mol n Al = 4 g / 27,0 g/mol = mol n H2SO4 = c V = 0,1000 dm 3 1,00 mol/dm 3 = 0,100 mol n kénsav = n magnézium = n hidrogén A kénsavból van kevesebb, ezért 0,100 mol hidrogén fejlődik. n alumínium /2 = n kénsav / 3 = n hidrogén / 3 0, ,033 A kénsavból van kevesebb, ezért 0,100 mol hidrogén fejlődik. Tehát mindkét fém esetén ugyannyi hidrogén fejlődik. ÖLK 130/B Mikor fejlődik több hidrogéngáz: ha 8,00g magnéziumot vagy ha 8,00g alumíniumot kísérelünk meg feloldani 200,0 cm 3 2,00 mol/dm 3 -es kénsavoldatban? Mg + H 2SO 4 = MgSO 4 + H 2 2Al + 3H 2SO 4 = Al 2(SO 4) 3 + 3H 2 M Mg = 24,3 g/mol M Al = 27,0 g/mol n Mg = 8 g / 24,3 g/mol = mol n Al = 8 g / 27,0 g/mol = mol n H2SO4 = c V = 0,2000 dm 3 2,00 mol/dm 3 = 0,400 mol n kénsav = n magnézium = n hidrogén A magnéziumból van kevesebb, ezért 0,3292 mol hidrogén fejlődik. n alumínium /2 = n kénsav / 3 = n hidrogén / A kénsavból van kevesebb, ezért 0,400 mol hidrogén fejlődik. Tehát az alumínium esetén fejlődik több hidrogén tema07_biolf_

6 Feladat: ÖLK 577/A Egy ismeretlen fém 0,2339 grammját vízzel reagáltattunk. Eközben 122,0 cm 3 hidrogéngáz fejlődött. A hőmérséklet 21 C, a légnyomás 112,0 kpa volt. Mi lehet ismeretlen fém? Megoldás: p * V = n * R * T Pa * 122,0 * 10 6 m 3 = n H2 * 8,314 J / (mol * K) * (273, ) K n H2 = 0, mol A feladatból nem egyértelmű, hogy milyen anyagmennyiség arányban fejlesztette a fém a hidrogént, ezért próbáljuk meg az alábbi három lehetőséget: 2 M + 2 H 2O = 2 MOH + H 2 M + 2 H 2O = M(OH) 2 + H 2 2 M + 6 H 2O = 2 M(OH) H 2 A fém hidrogén anyagmennyiségének aránya: 2:1, 1:1 illetve 2:3 Azaz a fém anyagmennyisére rendre 2*n H2, n H2, 2/3*n H2 A fém moláris tömege: M = m fém / n fém = 0,2339 g / n fém Behelyettesítve a fenti három értéket rendre 20,04 g/mol, 40,07 g/mol és 60,12 g/mol értékek adódnak. Ezek közül egyedül 40,07 g/mol moláris tömegű fém létezik, ez a kalcium tema07_biolf_