شیمی استوکیومتری

[A_h]

اگر ماده مرکب از مولکولها ساخته شده باشد، فرمول مولکولی ، عده دقیق هر نوع اتم موجود در یک مولکول را بدست می‌دهد. اگر ماده مرکب از یونها ساخته شده باشد، فرمول با استفاده از ساده‌ترین نسبت عدد صحیح یونهای موجود در یک بلور ماده مرکب نوشته می‌شود. بعضی از عناصر و مواد نیز وجود دارند که نه مولکولی‌اند و نه یونی هستند؛ مثلا در الماس ، تعداد زیادی اتمهای کربن در یک الگوی بلوری سه‌بعدی ، با شبکه ای از پیوندهای مشابه با پیوندهایی که در مولکولها یافت می‌شوند، به هم متصل شده‌اند و همچنین فلزات ، ساختارهایی دارند که در آنها تعداد زیادی اتم با پیوندهایی به نام پیوندهای فلزی به هم متصل شده‌اند.


اصول استوکیومتری

اصول استوکیومتری درباره واکنشهای شیمیایی از معادلات شیمیایی واکنشها استخراج می‌شوند. معادلات شیمیایی نماینگر واکنشهای شیمیایی هستند با نمادها و فرمولهای عناصر و مواد مرکبی که در این واکنشها در گیرند. تفسیر استوکیومتری یک معادله شیمیایی بر مبنای مول استوار است.


مول

یک مول از یک عنصر شامل عدد آووگادرو اتم از آن عنصر است و جرمی با وزن اتمی آن عنصر بر حسب گرم دارد و مقدار عدد آووگادرو عبارت از:6,02 * 1023

یک مول از یک ماده مرکب شامل عدد آووگادرو و واحد فرمولی از آن ماده مرکب است و جرمی برابر با وزن فرمولی ( یا اگر ماده مرکب مولکولی است، برابر با وزن مولکولی ) آن ماده مرکب بر حسب گرم دارد. با تفسیر فرمولهای مرکب بر حسب مول ، ترکیب درصد مواد مرکب را می‌توان بدست آورد و دیگر مسائل استوکیومتری را حل کرد.


ترکیب درصد مواد مرکب

ترکیب درصد یک ماده مرکب از روی فرمول آن ماده مرکب به‌آسانی محاسبه می‌شود. زیروندهای فرمول ، عده مولهای هر عنصر در یک مول ماده مرکب را بدست می‌دهد. از این اطلاعات و از وزنهای اتمی عناصر ، می‌توانیم عده گرمهای هر عنصر موجود در یک مول ماده مرکب را بدست آوریم. درصد یک عنصر معین ، 100 برابر جرم آن عنصر تقسیم بر جرم مول ماده مرکب است. ترکیب درصد یک ماده مرکب در بسیاری مواقع بوسیله تجزیه شیمیایی معین می‌شود. سپس این داده‌ها می‌تواند برای یافتن فرمول تجربی یک ماده مرکب بکار آید.


فرمول تجربی و فرمول مولکولی

اگر ترکیب درصد یک ماده مرکب با آزمایش معین شود، یعنی تجزیه شیمیایی ، نسبتهای جرمی عناصری که یک ماده را می‌سازند، بدست دهد، فرمول تجربی یک ماده مرکب بدست می‌آید. فرمول تجربی ، نسبتهای اتمی یک ماده مرکب ، یعنی تعداد نسبی اتمهای گوناگونی که آن ماده مرکب را می‌سازند، مشخص می‌کند.


فرمول مولکولی ، ترکیب اتمی واقعی مولکول را بدست می‌دهد و می‌توان آنرا با استفاده از فرمول تجربی بدست آورد، در صورتی که وزن مولکولی ماده مرکب معلوم باشد. برای مثال ، فرمول مولکولی هیدروژن پراکسید ، H2O2 ، نشان می‌دهد که دو اتم هیدروژن و دو اتم اکسیژن در یک مولکول هیدروژن پراکسید وجود دارد. اما فرمول تجربی آن ، ساده‌ترین نسبت عدد صحیح یعنی HO می باشد و برای بعضی از مواد مرکب مولکولی ، فرمولهای مولکولی و تجربی یکسان‌اند نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: H2O -H2SO4 - CO2 - NH3 .


زیروندهای این فرمولها را نمی‌توان به هیچ نسبت ساده‌تری کاهش داد، اما برای بسیاری از مواد مرکب مولکولی فرمولهای مولکولی و تجربی متفاوت‌اند.


وزن مولکولی

وزن فرمولی یک ماده خالص ، مجموع وزنهای اتمی همه اتمهای موجود در فرمول آن ماده است. اگر فرمول مورد نظر ، مربوط به یک ماده مولکولی و بنابراین یک فرمول مولکولی باشد، وزن فرمولی مربوط به آن نیز ، وزن مولکولی نامیده می‌شود. وزن مولکولی مجموع وزنهای اتمی ، اتمهایی است که یک مولکول را می‌سازند، بنابراین وزن فرمولی H2O ، وزن مولکولی این ماده نیز هست

 

انجمن رمان نویسی دانلود رمان

[A_h]

واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها

معادله شیمیایی همانند یک دستورالعمل برای انجام یک واکنش است. بنابراین تمامی مواد و واکنش‌های مورد نیاز در آن باید نشان داده شوند. این معادله شامل عنصرها، اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها در فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها و همچنین حالت فیزیکی آن‌ها است. نسبت هر اتم به دیگری نیز به کمک ضرایب استوکیومتری تعیین می‌شود. معادله زیر، شکل کلی یک معادله شیمیایی را نشان می‌دهد:


2Na(s)+2HCl(aq)→2NaCl(aq)+H2 (g)




در ر*اب*طه بالا، عناصر به کمک نماد شیمیایی خود نشان داده شده‌اند. بر اساس قانون پایستگی جرم در واکنش شیمیایی – که بیان می‌کند ماده‌ای تولید نمی‌شود و از بین نمی‌رود – در هر معادله شیمیایی، تمامی عناصر در فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها یکسان هستند. در معادله بالا، «سدیم» (Na)، «هیدروژن» (H) و «کلر» (Cl)، عناصری هستند که در واکنش‌دهنده‌ها حضور دارند. بر اساس قاون پایستگی جرم، این عناصر همچنین باید در فرآورده‌ها نیز مشاهده شوند.


استوکیومتری

ضرایب استوکیومتری

در یک معادله موازنه شده، در هر دو قسمت معادله، تعداد عنصرها برابر است. ضرایب استوکیومتری اعدادی هستند که در کنار اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها نوشته می‌شوند تا تعداد عنصرها در هر دو قسمت فرآورده و واکنش دهنده یکسان باشند. این ضرایب می‌توانند به صورت اعداد کسری یا صحیح نشان داده شوند اما به طور معمول اعداد صحیح برای نمایش ترجیح داده می‌شوند. این ضرایب استوکیومتری به دلیل نشان دادن نسبت‌های مولی بین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها بسیار پرکاربرد هستند. معادله واکنش زیر را در نظر بگیرید:




2Na(s)+2HCl(aq)→2NaCl(aq)+H2(g)




می‌توان اینگونه بیان کرد که در واکنش بالا، ۲ مول از HCl

با دو مول از Na واکنش می‌دهد تا ۲ مول NaCl و یک مول H2 تولید کند. اگر بدانیم که با چه تعداد از مول‌های Na واکنش را آغاز کرده‌ایم، می‌توانیم از آن برای تعیین تعداد مول NaCl
تولیدی استفاده کنیم. در حقیقت، فهم دقیق موازنه شیمیایی می‌تواند به ما در حل مسائل استوکیومتری کمک کند.


یک معادله موازنه شده دو شرط اصلی دارد:


تعداد عنصرها در سمت راست و چپ معادله باید برابر باشند.
بارهای الکتریکی نیز در هر دو سمت چپ و راست باید برابر باشند.

استوکیومتری

انواع واکنش‌ها

واکنش‌های شیمیایی متفاوتی در شیمی وجود دارند اما ۶ نوع اصلی آن در زیر آورده شده است:


واکنش احتراق (سوختن): واکنش احتراق شامل تشکیل CO2
و H2O از واکنش یک ماده شیمیایی با O2
است.
سنتز (ترکیب): سنتز به عنوان فرآیندی شامل اضافه کردن ۲ نوع ماده یا بیشتر به عنوان واکنش‌دهنده و تشکیل یک فرآورده پیچیده‌تر شناخته می‌شود.
تجزیه: تجزیه زمانی بوقوع می‌پیوندد که واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌هایی ساده‌تر تبدیل شوند.
جابجایی یگانه: شامل واکنش‌هایی است که یک عنصر از یک واکنش‌دهنده با عنصر دیگر از واکنش‌دهنده برای تشکیل یک فرآورده جدید جابجا می‌شود:

A+B−C→A–C+B




جابجایی دو گانه: به جابجایی دو عنصر در واکنش‌دهنده‌ها و تبدیل آن‌ها به ۲ فرآورده، واکنش جابجایی دوگانه می‌گویند:

AY+BX→BY+AX




اسید و باز: شامل واکنش‌هایی است که در آن نمک و آب به تولید می‌رسند:

آب + نمک →

باز + اسید


استوکیومتری

جرم مولی

قبل از اعمال ضرایب استوکیومتری در معادله واکنش، باید با مفهوم جرم مولی آشنا باشید. جرم مولی یک نسبت شیمیایی برای بیان روابط جرم با مول است. این ارتباط برای هر عنصر به کمک جرم اتمی آن در جدول تناوبی بیان شده است. برای بدست آوردن جرم مولی ترکیبات و مولکول‌ها، باید جرم اتمی آنها را در تعداد هر اتم ضرب کنید.

مثال

برای محاسبه جرم مولی H2O

به روش زیر عمل می‌کنیم:


=2×(1.94g/mol)+1×(15.9994g/mol)=18.01528g/mol

جرم مولی

تغییرات در معادلات استوکیومتری

تمامی روابط کمی برای استفاده در تجزیه و تحلیل داده‌ها می‌توانند به نسبت‌های مختلف تبدیل شوند.

چگالی

چگالی (دانسیته) که با ρ

نمایش می‌دهند به صورت نسبت «جرم به حجم» (جرم/حجم) بیان می‌شود. این نسبت برای پیدا کردم حجم یک محلول، زمانی که جرم آن را داریم یا به عکس کاربرد دارد:




جرم = (حجم/جرم) × حجم


حجم = (جرم/حجم) × جرم

درصد جرمی

برای بیان روابط از درصد نیز می‌توان کمک گرفت. درصد جرمی بیان می‌کند که چند گرم از یک مخلوط شامل عنصر یا مولکول خاصی است. نماد X%

نشان‌دهنده این است که در هر ۱۰۰ گرم از یک مخلوط، میزان X
گرم از یک عنصر خاص در آن وجود دارد. از این ر*اب*طه برای بیان جرم یک ماده در مولکول می‌توان استفاده کرد.

مثال

ماده‌ای شامل ۵٪ جرمی کربن است. اگر جرم کل ماده 10 گرم باشد، جرم کربن در نمونه را حساب کنید. همچنین بیان کنید که چند مول اتم کربن در نمونه وجود دارد.


حل


گرم کربن 0/5 = (نمونه گرم 100 / کربن گرم ۵) × نمونه گرم 10


کربن مول 0/0416 = (کربن گرم 12/011 / کربن مول 1) × کربن گرم 0/5

مولاریته

مولاریته (لیتر/مول) بیانگر ر*اب*طه بین مول و لیتر است. در صورتیکه حجم و مولاریته را داشته باشیم، می‌توان تعداد مول‌ها را محاسبه کرد یا با استفاده از مولاریته و مول، حجم را حساب کرد. این روش در معادلات شیمیایی و محلول‌ها کاربرد دارد.


استوکیومتری

تعیین فرمول تجربی

به کمک استوکیومتری می‌توان فرمول تجربی مولکول‌ها را تعیین کرد. نسبت عناصر از طریق مقایسه تعداد مول‌ها در هر عنصر امکان‌پذیر است.

مثال

1000 گرم از یک مولکول آلی به طور کامل در حضور اکسیژن می‌سوزد و 0/0333 مول CO2

و 0/599گرم H2O
تولید می‌کند. فرمول تجربی مولکول آلی را حساب کنید.


حل


آنچه در خصوص سوال می‌توان برداشت کرد این است که یک واکنش احتراق داریم. همچنین می‌دانیم که یک مولکول آلی شامل ترکیبی از هیدروژن، اکسیژن و کربن است. با در نظر گرفتن نکته‌های سوال، معادله واکنش را بدون ضرایب استوکیومتری می‌نویسیم:


CxHyOz(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(g)




از آنجایی که تمامی مول‌های C و H در CO2

و H2O
، از یک گرم نمونه ناشناخته بدست آمده‌اند، کار را با محسابه تعداد مول هر عنصر در نمونه ناشناخته آغاز می‌کنیم:


(کربن در ماده ناشناخته) مول 0/0333 = (CO2

مول 1 / C مول 1) CO2
مول 0/0333


(هیدروژن در ماده ناشناخته) مول 0/0665 = (H2O

مول ۱ / H مول ۲)(H2O گرم 18/0152 / H2O مول 1) H2O
گرم 0/5999


تعداد مول اکسیژن را با استفاده از مجموع مول اکسیژن در H2O

و CO2 حساب کنید. با این کار تعداد مول اکسیژن در مولکول ناشناخته معلوم می‌شود و کافی است تا از میزان مول اکسیژن در O2
آن را کم کنید.


تعداد مول اکسیژن در CO2




مول اکسیژن 0/0666 = (CO2

مول 1 / O مول ۲) CO2
مول 0/0333


تعداد مول اکسیژن در H2O




مول اکسیژن 0/0332 = (H2O

مول 1 / O مول ۱)(H2O گرم 18/0152 /H2O مول۱) H2O
گرم 0/599


به کمک قانون پایستگی می‌دانیم که جرم قبل از انجام واکنش با جرم بعد از واکنش باید برابر باشد. می‌توان از اختلاف جرم فرآورده نهایی و جرم اولیه مولکول ناشناخته، برای محاسبه جرم O2

در واکنش استفاده کرد:


CO2

گرم 1/46 = (CO2 مول ۱ / CO2 گرم 44/0098) CO2
مول 0/0333


O2

گرم 1/065 = ماده آلی ناشناخته گرم 1000 – H2O گرم 0/599 + CO2
گرم 1/466


تعداد مول اکسیژن در O2




مول اکسیژن 0/0666 = (O2

مول ۱ / اکسیژن مول ۲)(O2 گرم 31/9988 / O2 مول ۱) O2
گرم 1/065


تعداد مول اکسیژن در ماده ناشناخته


مول اکسیژن 0/0332 = اکسیژن مول 0/0666 – ( اکسیژن مول 0/0332 + اکسیژن مول 0/0666)


در نتیجه 0/0332 مول اکسیژن، 0/0332 کربن و 0/0665 مول هیدروژن در مولکول آلی ناشناخته داریم. کافی است تمامی این اعداد را بر کوچکترین عدد تقسیم کنیم تا نسبت صحیحی از اعداد بدست آید یعنی:


۱ مول اکسیژن، ۱ مول کربن و ۲ مول هیدروژن در مولکول آلی خواهیم داشت. بنابراین فرمول تجربی آن به صورت CH2O

خواهد بود.


استوکیومتری

تعیین فرمول مولکولی

برای تعیین فرمول مولکولی، به صورت زیر عمل کنید:


ابتدا فرمول تجربی را بر اساس مثال بالا تعیین کنید.
جرم مولکولی را به صورت آزمایشگاهی محاسبه کنید.
جرم مولکولی را بر جرم مولی فرمول تجربی تقسیم کنید.
عدد بدست آمده را در فرمول تجربی ضرب کنید تا فرمول مولکولی بدست آید.
مثال 1

در مثال قبل بیان شد که فرمول تجربی مولکول آلی به صورت CH2O

است. برای تعیین فرمول تجربی به صورت زیر عمل می‌کنیم:


ابتدا جرم مولی فرمول تجربی را حساب کنید:

12.011(gr) C+(1.008(gr)H)×(2H)+15.999(gr) O=30.026 g/mol CH2O




سپس جرم مولکولی را به صورت آزمایشگاهی تعیین کنید. برای این ترکیب، جرم مولکولی برابر با 120.056 g/mol
است.
جرم مولکولی را بر جرم مولی فرمول تجربی تقسیم کنید:

(120.056 g/mol) / (30.026 g/mol)=3.9984




با توجه به اینکه عدد اعشاری بدست آمده به عدد ۴ بسیار نزدیک است، می‌توانیم آن را به ۴ گرد کنیم و فرض بگیریم که این اخلاف ناچیز، ناشی از خطا در اندازه‌گیری آزمایشگاهی جرم مولکولی است. اگر عدد بدست آمده با عدد صحیح فاصله زیادی داشت، ممکن است در محاسبه فرمول تجربی یا تعیین جرم مولکولی خطا کرده باشیم.
عدد بدست آمده را به هر عنصر از فرمول تجربی ضرب می‌کنیم تا فرمول مولکولی بدست آید:

CH2O×4=?C:1×4=4H:2×4=8O:1×4=4CH2O×4=C4H8O4




نتایج محاسبات خود را با محاسبه جرم مولی فرمول مولکولی و مقایسه آن با جرم مولکولی اندازه‌گیری شده کنترل کنید:

C4H8O4=120.104 g/mol

جرم مولی محاسبه شده


120.056 g/mol

= جرم مولی اندازه‌گیری شده


۱۰۰ × (مقدار نظری / | مقدار آزمایشگاهی – مقدار نظری |) = درصد خطا


| 120.104 g/mol–120.056 g/mol | 120.104 g/mol×100

= درصد خطا


0.040 %

= درصد خطا

استوکیومتری
مثال ۲

یک جوشکار تازه کار برای ساخت آلیاژی، دو فلز مس و آهن (II) را ذوب می‌کند. این آلیاژ 45 درصد از مس و 55 درصد از آهن تشکیل شده است. چگالی آلیاژ 3.15 g/L

است. یک لیتر از آلیاژ به طور کامل، قالبی با حجم 1000 cm3 را پر می‌کند. این جوشکار به طور تصادفی 1.203 cm3 از مخلوط همگن را می‌شکند و به بیرون می‌اندازد. این قطعه در طول سال‌ها با باران‌های اسیدی واکنش می‌دهد. اگر فرض کنیم که اسید، تنها با آهن‌(II) وارد واکنش می‌شود، چند گرم از H2(g)
بر اثر اشتباه این جوشکار به جو زمین وارد خواهد شد؟


حل


معادله موازنه شده را با تعیین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها بنویسید. چون فرض کرده‌ایم که مس وارد واکنش نمی‌شود، واکنش‌دهنده‌ها تنها H+(aq)

و Fe(s) هستند. فرآورده‌های واکنش را بر اساس اطلاعات مساله و همچنین واکنش‌های اکسایش و کاهش، H2(g) و F+(aq)
در نظر می‌گیریم:


Fe(s)+2H+(aq)→H2(g)+F+(aq)




در مرحله بعد، تمامی اطلاعات مساله را به فرم ضریب تبدیل یادداشت می‌کنیم:


(3.15 g/1L)
= چگالی آلیاژ
(45g Cu(s) /100 g)
= مس 45%
= درصد جرمی آلیاژ
(45g Fe(s) /100 g)
= آهن 55%
= درصد جرمی آلیاژ
آلیاژ 1000 cm3
= یک لیتر آلیاژ
آلیاژ 1.203 cm3
= آلیاژ نمونه

در این قسمت به سوال مطرح شده پاسخ دهید. سوال از ما می‌خواهد که میزان گ*از هیدروژن تولید شده را محاسبه کنیم. با ترکیبی که آن را بهتر می‌شناسید شروع کنید و با استفاده از ضریب تبدیل‌های داده شده، سوال را حل کنید.


از مقدار آلیاژ داده شده برای بدست آوردن تعداد مول آهن مصرف شده استفاده کنید:







در ر*اب*طه بالا، عبارت (al)

بیانگر آلیاژ است.


حال باید از معادله موازنه شده وضرایب استوکیومتری آن برای تبدیل تعداد مول آهن به تعداد مول گ*از هیدروژن استفاده کنیم.







سوال از ما می‌خواهد تا مقدار گرم گ*از هیدروژن آزاد شده را حساب کنیم. بنابراین تعداد مول گ*از هیدروژن آزاد شده باید به گرم گ*از هیدروژن آزاد شده تبدیل شود. این کار به کمک جرم مولی H2(g)

تعیین خواهد شد. در هر H2(g) دو H وجود دارد. بنابراین جرم مولی H2(g)
دو برابر یک اتم هیدروژن تنها است:


=2(1.94g/mol)=2.01588g/mol

جرم مولی گ*از هیدروژن


گ*از آزاد شده 3.74×10−5molH2(g)(2.01588 g H2(g)/1molH2(g))=7.53×10−5 g H2(g)

 

انجمن رمان نویسی دانلود رمان