ZADANIA
Niestechiometryczne ilości substratów
Większość reakcji, jak na przykład reakcje prowadzone na lekcji chemii, są reakcjami prowadzonymi wobec niestechiometrycznej ilości substratów. Co to oznacza? Spójrz na reakcję powstawania wody:
2H2 + O2 --> 2H2O
Stechiometryczna ilość substratów to taka, która zgadza się z zapisem reakcji, tj. w której ilość moli substratów odpowiada ilości moli w zapisie reakcji, bądź jest tej ilości wielokrotnością. Stechiometryczną mieszaniną substratów będzie zatem mieszanina zawierająca 2 mole wodoru i 1 mol tlenu, albo 200 moli wodoru i 100 moli tlenu, albo 0,5 mola wodoru i 0,25 mola tlenu. W wyniku takiej reakcji wszystkie cząsteczki substratów przechodzą w produkty (teoretycznie). Gdy ilość jest niestechiometryczna któryś z substratów występuje w nadmiarze, a któryś w niedomiarze i reakcja zachodzi aż do wyczerpania tego substratu, który jest w niedomiarze. Po zakończeniu reakcji pozostaje produkt i nieprzereagowana ilość drugiego substratu, który był w nadmiarze.
|
Przykład 1
Do roztworu zawierającego 20g kwasu solnego wrzucono kawałek blaszki cynkowej ważący 5g. Oblicz jaką objętość wodoru otrzymano?
|
Rozwiązanie:
1| na początek sprawdzamy czy któryś z substratów jest w nadmiarze, a jeśli tak, to który. Zapisujemy równanie reakcji:
Zn + 2HCl --> ZnCl2 + H2
Przeliczamy gramy z zadania na mole:
n - liczba moli; m - masa próbki; M - masa molowa substancji
nHCl = m/M = 20g/36,5g = 0,548 mola HCl
nZn = m/M = 5g/65,4g = 0,076 mola Zn,
Następnie układamy proporcję taką, jak ta:
1 mol Zn ---reaguje z--- 2 mole HCl
0,076 mola Zn ---reaguje z--- x moli HCl.
Rozwiązujemy proporcję i wyliczamy x = 0,152 mola HCl.
Na tej podstawie stwierdzamy, że w nadmiarze jest HCl i reakcja zakończy się, gdy cały cynk (niedomiar) przereaguje.
2| obliczamy ile moli wodoru powstało, korzystając z danej ilości moli cynku. Ponieważ 1 mol Zn daje 1 mol H2, to domyślamy się, że powstanie 0,076 mola wodoru.
3| przeliczamy ilość moli na objętość:
VH2 = 22,4 dm3 · nH2 = 22,4 dm3 · 0,076 = 1,7 dm3.
Odp: Otrzymano 1,7 dm3 wodoru.
|
Przykład 2
Łączna objętość mieszaniny wodoru i azotu przed reakcją wynosiła 63 cm3. Po reakcji objętość mieszaniny zmalała. Nie było w niej wodoru, ale wykryto 8,75·10-3 g azotu. Ile procent (w procentach objętościowych) wodoru zawierała mieszanina wyjściowa?
|
Rozwiązanie:
1| zapisujemy równanie zachodzącej reakcji:
N2 + 3H2 --> 2NH3
Po zakończeniu reakcji w mieszaninie, poza produktem, wykryto azot, co świadczy, że azot był substratem użytym w nadmiarze.
2| obliczamy ile azotu pozostało po reakcji (przeliczamy masę podaną w zadaniu na mole, a mole na objętość):
n - liczba moli, m - masa próbki, M - masa molowa
nN2 = m/M = (8,75·10-3)/28 = 0,00875/28 = 0,0003125 mola azotu
VN2 = nN2·22,4 dm3 = 0,007 dm3 = 7 cm3 azotu.
3| skoro z mieszaniny, która miała 63 cm3 pozostało 7 cm3 azotu, oznacza to, że przereagowało łącznie 56 cm3 azotu i wodoru (63-7=56). Na dej podstawie możemy określić ile cm3 azotu i ile cm3 wodoru reagowało. Z równania reakcji widzimy, że 1 mol azotu reaguje z 3 molami wodoru, zatem 1 cm3 azotu reaguje z 3 cm3 wodoru. Stosunek objętości to 1:3 - czyli 1 część na 3 części, razem 4 części. Dzielimy naszą objętość (56 cm3) na takie 4 części: 56:4=14.
1 część: 14 cm3 (azotu)
3 części: 3·14=42 cm3 (wodoru).
Zatem podsumowując punkt 2 i 3: z mieszaniny o objętości 63 cm3 przereagowało 14 cm3 azotu z 42 cm3 wodoru i pozostało 7 cm3 azotu, który był w nadmiarze.
4| Obliczamy zawartość procentową wodoru w mieszaninie wyjściowej (początkowej):
42 cm3 wodoru
x% = ------------------- · 100% = 0,666666... · 100% = 66,7%
63 cm3 mieszaniny
Odp: Zawartość wodoru w mieszaninie wyjściowej to 66,7%.
|
Przykład 3
Zmieszano 5 dm3 wodoru i 2 dm3 tlenu, które przereagowały dając parę wodną. Oblicz o ile dm3 zmieniła się (zmalała lub wzrosła) objętość mieszaniny.
|
Rozwiązanie:
1| zapisujemy równanie zachodzącej reakcji:
2H2 + O2 --> 2H2O
Widzimy, że z 3 moli gazów powstają 2 mole gazu (pary wodnej), zatem przebieg reakcji wiąże się ze zmniejszaniem objętości mieszany.
2| ustalmy, który z substratów jest w nadmiarze, a który w niedomiarze. Z równania reakcji widzimy, że 2 mole wodoru reagują z 1 molem tlenu; zatem 2 dm3 wodoru reagują z 1 dm3 tlenu. Ułóżmy proporcję:
2 dm3 wodoru ---reagują z--- 1 dm3 tlenu
5 dm3 wodoru ---reaguje z--- x dm3 tlenu.
Po wyliczeniu otrzymujemy x = 2,5 dm3 tlenu.
Jaki z tego wniosek? Otóż jak widać to wodór jest w nadmiarze. Musimy zatem ułożyć drugą proporcję, zastępując wodór tlenem. Dopiero ona pokaże nam, ile wodoru przereaguje z daną ilością tlenu:
1 dm3 tlenu ---reaguje z--- 2 dm3 wodoru
2 dm3 tlenu ---reagują z--- x dm3 wodoru.
Proporcja jest prosta, x = 4 dm3.
3| obliczamy ile dm3 pary wodnej powstało. Układamy proporcję, bądź obliczamy w głowie - 1 dm3 tlenu daje 2 dm3 wody, zatem z 2 dm3 tlenu powstaną 4 dm3 wody.
4| w mieszaninie poreakcyjnej mamy 4 dm3 produktu. Ale ponadto jest jeszcze reszta wodoru, która nie przereagowała (bo wodór wył w nadmiarze). Wodór ten zajmuje objętość 1 dm3 (było go 5 dm3, a przereagowało 4 dm3). Sumaryczna objętość: 4 dm3 wody + 1 dm3 wodoru = 5 dm3. Przed reakcją łączna objętość substratów była 7 dm3, zatem objętość na skutek reakcji zmalała o 2 dm3.
Odp: Objętość mieszaniny zmalała o 2 dm3.
|