Kapitel 3. Stökiometri

(1)

Stökiometri

(2)

Innehåll

3.1 Räkna genom att väga 3.2 Atommassor

3.3 Molbegreppet 3.4 Molmassa

3.5 Problemlösning

3.6 Kemiska föreningar 3.7 Kemiska formler

3.8 Kemiska reaktionslikheter 3.9 Balansera reaktionslikheter 3.10 Stökiometriska beräkningar 3.11 Begränsande reaktant

(3)

Kemisk stökiometri

• Stökiometri – Läran om ämnesmängder som

konsumeras och produceras i kemiska reaktioner.

(4)

Räkna genom att väga

• Kan utföras om den genomsnittliga massan för

“partiklarna” är känd.

• Man utgår sedan från att dessa är identiska.

(5)

Atomic Masses Atommassor

Masspektrometer

(6)

Relativ förekomst av olika tunga neonatomer i en masspektrometer

David Young-Wolff/Alamy

(7)

Massan hos olika atomslag (grundämnen) Grundämnen förekommer i naturen som

blandningar av olika tunga isotoper Förekomst Vikt

Kol = 98.89% ¹²C 12 amu

1.11% ¹³C 13.003 amu

<0.01% ¹⁴C 14.003 amu Grundämnet kols atommassa är således i medeltal något över 12 amu: 12.011 amu

(8)

Atommassor

• Ett grundämnes atommassa är medelvärdet av de naturligt förekommande isotopernas massor.

• Alla atommassor graderas på en skala som tillskriver isotopen ¹²C exakt 12 massenheter (amu = atomic mass unit).

(9)

The Mole

Molbegreppet

Substansmängd (mol)

• Antalet kolatomer i 12 gram ¹²C.

• Ett styckemått som dussin eller tjog

• 1 mol = 6.022 · 10²³ st

• Avogadros tal (N_A) = 6.022 × 10²³

(10)

The Mole

Molbegreppet

En mol vardera av

Ken O'Donoghue

koppar

aluminium

svavel järn jod

kvicksilver

(11)

The Mole

Molbegreppet

Jämförelse mellan massorna hos 1 mol av olika grundämnen

(12)

Molmassa Molmassa

• Ett ämnes molmassa (M) är massan av ett mol av ämnet

• 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= 12.01 + 2⋅16.00 = 44.01 g/mol

(13)

Molmassa

• Molmassor för några ämnen:

Molmassa för N₂ = 28.02 g/mol

2 × 14.01 g

Molmassa för H₂O = 18.02 g/mol

(2 × 1.008 g) + 16.00 g

Molmassa för Ba(NO₃)₂ = 261.35 g/mol

137.33 g + (2 × 14.01 g) + (6 × 16.00 g)

(14)

Molmassa

Förhållandet mellan massa (m), molmassa (M) och substansmängd (n)

m = M ⋅ n

mol mol

g = g ⋅

(15)

Molmassa

Begreppskoll

Vilket av följande 100.0 g prov innehåller störst antal mol?

a) Magnesium b) Zink

c) Silver

(16)

Problemlösning

• 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.

Symboltänkande: tänka i bilder

(17)

Kemiska föreningar

Den procentuella sammansättningen

Massprocent av ett grundämne i en förening:

massan av grundämnet i en mol av föreningen

Mass-% = ———————————————————— · 100%

massan av en mol av föreningen

Massprocent järn i järn(III)oxid, Fe₂O₃(rost):

2 · M(Fe) 2 · 55.85

Mass-% = —————— = ————————— · 100% = 69.94%

M(Fe₂O₃) 2 · 55.85 + 3 · 16.00

(18)

Kemiska formler

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.

(19)

Kemiska formler Övning

Bestäm den empiriska formeln för en förening som har följande procentuella viktssammansättning:

Cl: 71.65%

C: 24.27%

H: 4.07%

(20)

Kemiska föreningar

Strukturformel som 3D-modell

Två strukturformler visande isomerer av dikloretan (C₂H₄Cl₂)

(21)

Kemiska formler

Olika slags formler

• Molekylformeln visar antal av varje atomslag i en molekyl

Molekylformel för bensen: C₆H₆

• 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

(22)

Kemiska formler

Empirisk formel och molekylformel

(23)

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

(24)

• En reaktionslikhet representerar den kemiska reaktionen med hjälp av en reaktionspil.

reaktanter

metan + syrgas CH₄(g) + O₂(g)

produkter

koldioxid + vatten CO₂(g) + H₂O(g)

→

(25)

Balansera 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

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g)

(26)

Skriva och balansera kemiska reaktionslikheter

1. Avgör vilken reaktion som sker

• Kemiska formler 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

(27)

Balansera reaktionslikheter Övning

Vid 1000 °C reagerar ammoniakgas med

syrgas och bildar kväveoxid och vattenånga.

Reaktionen är det första steget i kommersiell produktion av salpetersyra. Skriv

reaktionslikheten.

(28)

• 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.

Viktiga regler

(29)

Stökiometriska beräkningar

• Balanserade reaktionslikheter kan användas till att beräkna mängderna av ämnen som

reagerar och produceras i kemiska reaktioner.

(30)

Balansera reaktionslikheter Förbränning av etanol

C₂H₅OH_(l) + 3O_{2 (g)} → 2CO_{2 (g)} + 3H₂O _(g)

(31)

Hur mycket vatten bildas vid förbränning av 100. g etanol?

1. C₂H₅OH_(l) + 3 O_2(g) → 2 CO_2(g) + 3 H₂O_(l) Etanol: m = 100 g n = m/M

2. M = 2·12.01 + 6 ·1.008 + 1 ·16.00 = 46,068 g/mol

→ n = 100 g / 46.068 g/mol = 2.1707 mol 3. Molförhållande C₂H₅OH : H₂O = 1 : 3

4. n(H₂O) = 3 n(C₂H₅OH) = 3 · 2.1707 mol = 6.5121 mol 5. Vatten: n = 6.5121 mol m = n · M

M = 2 ·1.008 + 1 ·16.00 = 18.016 g/mol

→ m = 6.5121 mol · 18.016 g/mol = 117.3 g

(32)

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

(33)

Stökiometriska beräkningar Tankemodell

(34)

Övning

Beakta följande reaktion:

P₄(s) + 5O₂(g) = 2P₂O₅(s)

Om 6.25 g fosfor förbränns (oxideras) enligt reaktionen ovan, hur stor massa syrgas

reagerar den då med?

8.07 g O₂

(35)

Begränsande reaktant Definition

• 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

(36)

Begränsande reaktant Ett exempel

CH

₄

(g) + H

₂

O(g) → 3 H

₂

(g) + CO(g)

(37)

Begränsande reaktant

En blandning av CH₄ och H₂O som reagerar

(38)

CH₄ och H₂O reagerar till H₂ och CO

(39)

Konklusion

Metan är den begränsande reaktanten.

Vatten finns kvar i produkt- blandningen efter fullständig reaktion.

(40)

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.

(41)

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.

(42)

Begränsande reaktant Övning

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?

(43)

• Anger hur långt en kemisk reaktion går.

• Den anger hur mycket produkt som bildas i procent av den möjliga (stökiometriska) mängden

Kapitel 3. Stökiometri

Stökiometri

m = M ⋅ n

mol mol

g = g ⋅

CH

(g) + H

O(g) → 3 H

(g) + CO(g)

yield percent

% yield 100

l Theoretica

yield Actual

=

×