3. Stehiometrija - hemijsko raunanje3.1. Hemijske jednaine

Glosarij

1. Hemijske jednaine predstavljaju hemijske reakcije na jednostavan i efikasan nain. Zasnivaju se na osnovnom prirodnom zakonu (ouvanje materije i energije, ili Prvi zakon termodinamike). Hemijska jednaina se sastoji iz reaktanata (sa lijeve strane strelice), strelice (ili znaka jednakosti) i produkata (sa desne strane jednaine)

2. Uravnoteenje (balansiranje) hemijske jednaine postupak koji osigurava usaglaenost jednaine sa Zakonom o ouvanju materije i energije

Hemijske jednaine

Hemijske promjene ili hemijske reakcije se predstavljaju hemijskim jednainama. Kada u procesu izgaranja gasa hidrogena, H2, u struji gasa oksigena, O2, nastaje voda (H2O), proces predstavljamo hemijskom jednainom:

Znak + se ita reaguje sa, a strelica daje. Hemijske supstance, oznaene formulama sa lijeve strane strelice, su reaktanti. Hemijske supstance, oznaene formulama sa desne strane su produkti. Brojevi ispred formula su koeficijenti (1 se obino ne pie) i pokazuju relativan broj molekula svake vrste ukljuen u hemijsku promjenu.

Poto u reakciji atomi ne mogu niti nastati niti nestati (osnovni prirodni Zakon o odranju materije i energije), hemijska jednaina mora imati jednak broj atoma iste vrste s jedne i sa druge strane strelice. Ako je to ispunjeno, kaemo da je jednaina uravnoteena ili izbalansirana.

Uravnoteenje (balansiranje) hemijske jednaineAko su formule reaktanata i produkata poznate moe se napisati neizjednaena hemijska jednaina. Potom slijedi proces u kome se izjednaava broj atoma jedne vrste s jedne i druge strane jednaine odreivanje koeficijenata. Koeficijenti bi trebali biti najmanji mogui cijeli brojevi.

U ovom postupku vrlo je vano razlikovati brojeve koeficijente ispred simbola molekule i brojeve napisane kao podbroj (sufiks). Koeficijenti ispred simbola oznaavaju koliinu supstance, a oni u podbroju vrstu supstance. Npr. H2O i H2O2 su dvije potpuno razliite supstance:

Hemijski simbolZnaenje

H2OJedna molekula vode graena iz dva atoma hidrogena i jednog atoma oksigena

2H2ODvije molekule vode, svaka graena iz dva atoma hidrogena i jednog atoma oksigena

H2O2Jedna molekula vodonik peroksida, graena iz dva atoma hidrogena i dva atoma oksigena.

Primjer

Metan, CH4, glavna komponenta prirodnog gasa, gori na zraku i pri tome daje CO2 i H2O. Proces se moe prikazati hemijskom jednainom:

U kojoj su metan i oksigen reaktanti, a CO2 i H2O produkti reakcije. Jednaina nije izbalansirana. Posmatranjem jednaine uoavamo da se karbon na obadvije strane jednaine javlja u samo jednom jedinjenju. Isto vrijedi i za hidrogen. Oksigen se, meutim, s lijeve strane javlja u jednoj supstanci, sa desne u dvije. Pravilo je da se prvo balansiraju atomi koji se javljaju samo u jednoj supstanci na lijevoj i desnoj strani. Kad je rije o karbonu broj atoma s lijeve i sa desne strane je izjednaen: po jedan. Broj atoma hidrogena, meutim, nije. Na lijevoj strani to su 4 atoma, a na desnoj 2. Broj atoma e se izjednaiti poveanjem koliine vode, na slijedei nain:

Na ovaj nain izjednaili smo atome karbona i hidrogena. Ostaje jo oksigen. S lijeve strane su dva atoma, a sa desne 4 ( 2 + 2 x 1). Povea se koliina atoma sa lijeve strane, na slijedei nain:

Na ovaj nain jednaina je izbalansirana.

Druge informacije koje moe sadravati hemijska jednaina

Hemijska jednaina moe sadravati i dodatne informacije o hemijskom procesu., prije svega fiziko stanje reaktanata i produkata. Za to se koriste simboli: s (solid) za vrsto, l (liquid) za teno, g(gas) za gasovito stanje i aq (aqua) za vodene rastvore. Gornja jednaina se moe pisati na slijedei nain:

Uz ove podatke jednaina moe ukljuivati i informacije o temperaturi ili pritisku pod kojim se reakcija odvija, prisustvo katalizatora i sl.. 3.2. Formulska masaGlosarij

1. Formulske masa supstance suma atomskih masa svih prisutnih atoma u hemijskoj formuli

2. Atomska masa atomska masa elementa izraena u amu (jedinica atomske mase). 1 amu = 1,6605410-24g

3. Molekulska masa ako je formula jedna molekuli supstance, onda je molekulska masa jedna formulskoj masi i izraena u amu jedinicama.

4. Izraunavanje procentnog sastava iz formule izraunavanje procentnog uea pojedinih atoma (supstance) na osnovu uea u molekulskoj (formulskoj) masi.

Formulska masa supstance

Koristei atomske mase iz Periodnog sistema elemenata, moemo izraunati formulske mase za razliite supstance. Npr. formulska masa sulfatne kiseline, H2SO4 je:

(zbog pogodnosti sve smo mase zaokruili na jednu decimalu).

Atomska masa

Ako je supstanca izgraena iz samo jedne vrste atoma, tj. ako se radi o elementarnoj supstanci, onda je molekulska masa jednaka atomskoj masi. Npr. za Na to je 23,0 amu, ili za Cl 35,5 amu.

Molekulska masa

Ako formulska masa odgovara molekuli, govorimo o molekulskoj masi. Npr. molekulska masa glukoze, C6H12O6 je:

Kod supstanci nastalih ionskom hemijskom vezu, kao to je npr. NaCl, kada molekuli ini kristalna reetka ogroman broj iona Na+ i Cl-, u odnosu 1 : 1, nije tano koristiti termin molekulska masa. Tanije je korititi termin formulska masa.

Izraunavanje procentnog sastava supstance iz formule

Izraunavanje procentnog sastava supstance znai izraunat procenat mase kojom svaki element uestvuje u izgradnji supstance. Npr. da se provjeri istoa jedinjenja, moemo porediti izraunati procentni sastav supstance sa vrijednou dobijenu eksperimentalno.

Procentualno uee elementa se izraunava prema formuli:

Primjer

Na raspolaganju je eer saharoza, formule C12H22O11. Izraunaj procentni sastav

Formulska masa jedinjenja je:

Procentualno uee karbona:

Procentualno uee hidrogena:

Procentualno uee oksigena:

Provjera rezultata se moe izvriti sabiranjem sva tri rezultata. Zbir procentualnog uea svih elemenata mora davati vrijednost 100%. Mala odstupanja e nastati ako se vri zaokruivanje atomskih masa na jednu decimalu ili na cijeli broj.

3.3. Avogadrov broj i molGlosarij

1. Avogadrov broj, NA 6,0221023/mol. U molu se uvijek nalazi 6,0221023estica ili objekata o kojima je rije.

2. Mol jedinica za koliinu supstance. Predstavlja onoliko jedinki koliko se atoma karbona nalazi u 12 g karbona izotopa .

3. Molarna masa (masa jednog mola) masa 6,0221023 estica ili objekata o kojima je rije ili masa u gramima jednog mola supstance.

Avogadrov broj

Avogadrov broj, simbol NA, je neimenovan broj i iznosi 6,0221023 estica ili predmeta o kojima je rije: to mogu biti elementarne estice (atomi, molekule, protoni, elektroni) ali i predmeti bilo koje vrste. Poto se radi o veoma velikom broju (602 200 000 000 000 000 000 000) on ima smisla kada je rije o esticama, ali vrlo malo kada je rije o predmetima.

Mol

Mol je osnovna jedinica mjera u SI. To je jedinica za koliinu supstance broj estica. Mol je koliina supstance koja odgovara broju elementarnih estica u 12 g karbona izotopa . Ovaj broj atoma je odreen eksperimentalno metodom masene spektroskopije. Utvreno je da 12 g karbona izotopa sadri 6,0221421 1023 atoma, to se u svakodnevnici skrauje na 6,02 1023. Prema tome ako je na raspolaganju 6,02 1023estica ili objekata govori se o molu. Pri tome treba naglasiti o kojoj se vrsti estica radi:

Koliina supstanceBroj esticaVrsta estica

1 mol atoma

6,02 1023atomi

1 mol molekula H2O6,02 1023molekuli H2O

1 mol iona NO3-6,02 1023ioni NO3-

1 mol iona K+6,02 1023ioni K+

Molarna masa

Masa Avogadrovog broja estica ili jednog mola izraena u gramima naziva se atomska ili molarna masa, ovisno o tome da li se radi o atomima ili molekulima. estice se razlikuju po masi tako da su molarne mase razliitih supstanci razliite. Npr. 1 mol ima masu:

Na isti nain se moe pokazati da je :

Molarna masa supstance ( u g/mol) je numeriki uvijek jednaka njenoj formulskoj masi ( u amu). Slijedi da se mase koje nalazimo za elemente u Periodnom sistemu elemenata ne odnose na masu jednog atoma, nego na 6,02 1023 atoma tog elementa ili jedan mol supstance. Tako je masa Na 22,99g/mol atoma, eljeza 55,84g/mol atoma eljeza itd.

Prevoenje broja estica u masu ili mase u broj estica

Prevoenje mase u molove ili molove u masu je esto u hemijskom raunanju. Vri se prema relaciji:

odnosno

Gdje je n broj molova, m masa, a M molekulska ili atomska masa

Primjer

1. Izraunaj broj molova i molekula glukoze, C6H12O6, u 5,380g !

Zadata je masa (5,380g) i molekulska formula iz koje moemo izraunati molarnu masu:

Broj molova je:

Broj estica je:

Poto se radi o molekulima nije potrebno naznaiti vrstu estica. U svakom drugom sluaju to je potrebno.

2. Izraunaj masu u gramima i broj estica za 0,433 mola kalcij nitrata, Ca(NO3)2 !Na osnovu formule raunamo formulsku masu:

Masa zadatog broja molova je:

Broj molekula u zadatom broju molova:

3.4. Kvantitativne informacije iz uravnoteene hemijske jednaine

Koeficijenti u hemijskim jednainama predstavljaju relativan broj molekula u jednaini. Koncept mola nam dozvoljava da ovu informaciju prevedemo u mase supstanci. Npr.

Koeficijenti pokazuju da dva mola hidrogena reaguju sa molom oksigena i daju dva mola vode. Meutim, to istiovremeno oznaava broj molekula, broj estica i broj molova:

Ovo takoer moemo izraziti u molekulskoj masi:

Jednaina je izjednaena po masi ( 36g = 36g) to znai da odraava univerzalni Zakon o ouvanju mase i energije.

Ove relacije se mogu iskoristiti na vie naina. Npr:

1. Ako reaguju hidrogen i oksigen i daju vodu, koliko e vode nastati iz 1,57 molova oksigena?

Prema jednaini: , za dva mola vode potreban je jedan mol oksigena. Slijedi da e za 1,57 molova nastati:

2. Koliko e molova hidrogena reagovati sa 1,57 molova oksigena?

3. Koliko je grama hidrogena potrebno za dobijanje 80 g vode?

a. Najprije piemo uravnoteenu jednainu

Na osnovu jednaine zakljuujemo da je odnos hidrogena 1 : 1, odnosno onoliko koliko molova hidrogena ulazi u jednainu, toliko e molova vode nastati. Zato masu vode prevodimo u molove:

Znai da je potrebno 4,44 mola hidrogena. Prevedimo ove molove u masu:

Odgovor: za nastanak 80 g vode potrebno je 8,88 g hidrogena.

Zadaci za vjebanje

1. Spaljivanjem butana (C4H10) u struji oksigena (O2)nastaje karbon dioksid (CO2) i voda (H2O). Izjednai jednainu i izraunaj:

a) Ako je nastalo 12 molova CO2, koliko je molova butana ulo u reakciju

b) Ako je koriteno 10 g oksigena, koliko je grama butana izgorilo

c) Ako je nastalo 120 grama vode, koliko je grama butana i oksigena izreagovalo

Odgovor: a. 3 mol C4H10 ; b. 0,041 g; c. 77,3 g C4H10, 277,4 g O2.2. Koliko grama vode nastaje oksidacijom 1 g glukoze, C6H12O6 (Izgaranjem glukoze u oksigenu nastaje CO2 i voda. Napii izbalansiranu jednainu !)

Odgovor: 0,6 g.

3. Razgradnja KClO3 se u laboratoriji koristi za dobijanje malih koliina oksigena, prema jednaini: . Koliko se grama oksigena moe dobiti iz 4,5 g KClO3 ?

Odgovor: 1,77g.

3.5. Limitirajui reaktantni i teorijski prinos

Glosarij

1. Limitirajui reaktant reagujua supstanca koja se tokom reakcije potpuno potroi

2. Reaktant u suviku reagujua supstanca koja ostaje u suviku nakon zavretka hemijske reakcije

3. Teorijski prinos koliina produkta nastala nakon to je izreagovao limitirajui reaktant

Limitirajui reaktant

Kada se pomijeaju dvije supstance koje reaguju, reaktanti, reakcija e se zaustaviti onog asa kada jedan od njih potpuno izreaguje. Jedan reaktant je potpuno izreagovao, drugi meutim, ostaje u suviku.

Reaktant koji je potpuno izreagovao oznaen je kao limitirajui reaktant, jer on odreuje ili limitira, koliinu nastalog produkta reakcije.

Reaktant u suviku

Reaktant u suviku ili reagens u suviku je supstanca koja zaostaje nakon zavretka reakcije.

U praksi nema ogranienja koliina reagujuih supstanci sa kojima e se zapoeti reakcija. Ustvari, navei broj reakcija se izvodi u suviku jedne od reagujuih supstanci. Meutim koliine reaktanata koje e izreagovati kao i koliine produkata, koje e nastati, su ograniene prisustvom limitirajueg reaktanta.

Npr. u reakciji: uestvuje 10 molova H2 i 7 molova O2. Koliko e nastati vode?

Iz jednaine slijedi da:

2 mola hidrogena reaguje sa 1 molom oksigena i nastaju 2 mola vode. Utvreni odnos je: 2 : 1: 2

Slijedi da e za 10 molova H2 trebati 5 molova oksigena, pri emu nastaje 10 molova vode., tj odnos 10 : 5 : 10 i isti je, samo je pomnoen sa 5. Na raspolaganju je meutim 7 molova oksigena. Sva ova koliina ne moe izreagovati, jer nema dovoljno hidrogena. Sav hidrogen je izreagovao sa 5 molova oksigena. Prema tome hidrogen je limitirajui reaktant, a oksigen ostaje u suviku i to: 7 5 = 2 mola. U reakcionoj posudi nakon reakcije prisutni su voda i neizreagovani oksigen. Ovo moemo sumirati u tabeli:

H2O2H2O

Poetne koliine107-

Promjena 10 5+10

Krajnje koliine0210

Sve ovo moemo prevesti u masu, koristei relaciju

Slijedi da je 10 molova hidrogena = 10 2g/mol = 20 g

7 molova oksigena = 7 32g/mol = 224 g

10 molova vode = 10 18g/mol = 180 g

Odnosno pomjeano je 20 g hidrogena i 224 g oksigena. Nastalo je 180 g vode. U suviku je 2 mola oksigena = 2 32 g/mol = 64 g. Ukupan bilans mase je:

20g + 224 g = 180 g + 64 g

244 g = 244 g

Zadatak

1. 2,0 g elementarnog cinka je stavljeno u rastvor koji je sadravao 2,50 g srebro nitrata, AgNO3, pri emu je dolo do reakcije:

Odredi: a) limitirajui reaktant; b) Koliko je nastalo grama srebra; c) koliko je nastalo grama cink nitrata, Zn(NO3)2; d)Koliko je ostalo reaktanta u suviku ?

Rjeenje:

a) AgNO3 je limitirajui reaktant, a Zn je reaktant u suviku; b) 1,59g ; c) 1,39 g; d) 1,52 g

Teorijski prinos i procenat prinosa

Razlikuju su: stvarni prinos, koliina produkta dobijena eksperimentalno, i teorijski prinos, koliina produkta dobijena raunskim putem, nakon to je izreagovao limitirajui reaktant. Stvarni prinos uvijek je manji od onog dobijenog izraunavanjem. Mnogo je razloga za postojanje razlike izmeu ova dva prinosa: dio reaktanata ne reaguje na oekivani nain, prisustvo neistoa u hemikalijama i sl.

Procenat prinosa predstavlja odnos izmeu stvarnog i teorijskog prinosa, izraen u procentima:

Npr.Adipinska kiselina (, )osnovna supstanca u proizvodnji najlona, se dobije kontrolisanom oksidacijom cikloheksana, prema jednaini:

Ako je u reakciju ulo 25,0 g cikloheksana u suviku oksigena, izraunaj procenat prinosa, ako je u eksperimentu dobijeno 33,5 g adipinske kiseline.

Prema jednaini 2 mola cikloheksana daju 2 mola adipinske kiseline. Prema tome treba najprije izraunati sa koliko se molova cikloheksana i adipinske kiseline raspolae

Znai u reakciju je ulo 0,297 molova cikloheksana, a u eksperimentu je dobijeno 0,229 molova adipinske kiseline.

Poto je u jednaini odnos cikloheksana i adipinske kiseline 1 : 1 ( 2 : 2), teorijski iz 0,297 moloca cikloheksana nastaje 0,297 molova adipinske kiseline.

Procenat prinosa je:

Tabela 6.1.: Najei kationi, formule i naboj

NabojFormulaImeFormula Ime

1+H+Ion hidrogenaNH4+Amonij

Li+Ion litijaCu+Bakar(I) ili kupro ion

Na+Ion natrijaPb+Olovo(I) ili plumbo ion

K+Ion kalijaHg22+iva(I) ili merkuro ion

Ag+Ion srebra

2+Mg2+Ion magnezijaCo2+Kobalt(II)

Ca2+Ion kalcijaCu2+Bakar(II) ili kupri ion

Sr2+Ion stroncijaFe2+eljezo(II) ili fero ion

Ba2+Ion barijaMn2+Mangan(II)

Zn2+Ion cinkaHg2+iva(II) ili merkuri ion

Cd2+Ion kadmijaNi2+Nikl(II)

Pb2+Olovo(II) ili plumbi ion

Sn2+Kalaj(II) ili stano ion

3+Al3+Ion aluminijaCr3+Krom(III)

Fe3+eljezo(III) ili feri ion

Tabela 5.2.: Najei anioni, formule i nabojNabojFormulaImeFormula Ime

1-H-Hidrid ionCH3COO-Acetat ion

F-Fluorid ionClO4-Perhlorat ion

Cl-HloridNO3-Nitrat ion

Br-Bromid ionNO2-Nitrit ion

I-Iodid ionMnO4-Permanganat ion

CN-Cijanid ionO22-Peroksid ion

OH-Hidroksid ion

2-O2-Oksid ionCO32-Karbonat ion

S2-Sulfid ionCrO42-Kromat ion

Cr2O72-Perkromat ion

SO42-Sulfat ion

3-N3-Nitrid ionPO43-Fosfat ion

_1409399311.unknown

_1409399327.unknown

_1409399335.unknown

_1409399339.unknown

_1409399341.unknown

_1409399343.unknown

_1409399345.unknown

_1409399346.unknown

_1409399344.unknown

_1409399342.unknown

_1409399340.unknown

_1409399337.unknown

_1409399338.unknown

_1409399336.unknown

_1409399331.unknown

_1409399333.unknown

_1409399334.unknown

_1409399332.unknown

_1409399329.unknown

_1409399330.unknown

_1409399328.unknown

_1409399319.unknown

_1409399323.unknown

_1409399325.unknown

_1409399326.unknown

_1409399324.unknown

_1409399321.unknown

_1409399322.unknown

_1409399320.unknown

_1409399315.unknown

_1409399317.unknown

_1409399318.unknown

_1409399316.unknown

_1409399313.unknown

_1409399314.unknown

_1409399312.unknown

_1409399303.unknown

_1409399307.unknown

_1409399309.unknown

_1409399310.unknown

_1409399308.unknown

_1409399305.unknown

_1409399306.unknown

_1409399304.unknown

_1409399299.unknown

_1409399301.unknown

_1409399302.unknown

_1409399300.unknown

_1409399297.unknown

_1409399298.unknown

_1409399296.unknown