Materiały dydaktyczne na zajęcia wyrównawcze z chemii dla studentów pierwszego roku kierunku zamawianego Inżynieria i Gospodarka Wodna w ramach projektu Era inżyniera pewna lokata na przyszłość Opracował: dr inż. Tadeusz Lemek
Podstawowe prawa chemiczne i obliczenia stechiometryczne 1. Podstawowe pojęcia chemiczne 1 unit atomowa jednostka masy 1/12 masy atomu izotopu węgla 12 C, wynosi 1,66 10-24 g = 1,66 10-27 kg. Masa atomowa masa atomu wyrażona w atomowych jednostkach masy np. mat S = 32u. Masa atomowa wyraża ile razy masa atomu danego pierwiastka jest większa od atomowej jednostki masy. Masa cząsteczkowa masa cząsteczki wyrażona w unitach, liczbowo równa sumie mas atomów, które wchodzą w skład cząsteczki np. M cz H 2 SO 4 = 2 1u + 1 32u + 4 16u = 98u Mol jednostka liczności materii liczność cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek itd.) równa liczbie atomów zawartych w 12g izotopu węgla 12 C. Liczba Avogadro (NA) wyraża liczbę cząstek w jednym molu materii, jest równa liczbie atomów węgla w 12g izotopu węgla 12 C i wynosi w przybliżeniu NA= 6,023 10 23. Masa molowa (M mol ) jest to masa jednego mola cząstek materii (jonów, atomów, cząsteczek itd.) wyrażona w gramach. Liczbowo równa jest masie atomowej (dla pierwiastków występujących w stanie atomowym) lub masie cząsteczkowej (dla cząsteczek). Przykładowo, masa jednego mola cząsteczek O 2 = 32g (M mol O 2 = 32 g/mol).
Objętość molowa (Vmol) jest to objętość 1 mola wyrażona w dm 3, która dla gazów w warunkach normalnych (p = 1013,25 hpa, T = 273,15 K) wynosi 22,4 dm 3. Przykład 1. Oblicz objętość, którą w warunkach normalnych zajmą następujące gazy: a) 0,602 10 23 cząsteczek wodoru Rozwiązanie: 1 mol cząsteczek wodoru w warunkach normalnych zajmuje objętość 22,4 dm 3 i w tym jednym molu jest 6,023 10 23 cząsteczek wodoru. Więc 0,602 10 23 cząsteczek wodoru zajmie objętość, którą można obliczyć zgodnie z proporcją: 6,023 10 23-22,4 dm 3 0,602 10 23 - x dm 3 x = 2,24 dm 3 b) 2,602 10 23 cząsteczek tlenu Idąc tym samym tokiem rozumowania układamy proporcję, z której obliczamy objętość zajmowaną przez 2,602 10 23 cząsteczek tlenu. 6,023 10 23-22,4 dm 3 2,602 10 23 - y dm 3 y = 9,68 dm 3 Zadanie 1. Jaką liczbę moli stanowi: a) 6 g wodoru cząsteczkowego b) 10 dm 3 tlenu c) 0,602 10 23 atomów argonu
2. Podstawowe prawa chemiczne Prawo zachowania masy (A. Lavoisier) w układzie zamkniętym - masa substratów równa jest masie produktów. Prawo stałości składu (L. Proust) dla danego związku chemicznego stosunek wagowy pierwiastków jest stały i ściśle określony. Prawo Avogadro jednakowe objętości różnych gazów, znajdujące się w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury, zawierają taką samą ilość cząsteczek lub atomów. 1 mol dowolnego gazu w warunkach normalnych zawiera 6,023 10 23 cząsteczek lub atomów. Prawo prostych stosunków objętościowych (Gay-Lussaca) objętości reagentów gazowych biorących udział w reakcji chemicznej, mierzone w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury, pozostają do siebie jak proste liczby całkowite (równe stosunkowi molowemu reagentów). np. dla reakcji N 2 + 3H 2 = 2 NH 3 V[N 2 ] : V[H 2 ] : V[NH 3 ] = 1:3:2 Prawo działania mas (Guldberga, Waagego) w stanie równowagi chemicznej, stosunek iloczynu stężeń produktów podniesionych do odpowiednich potęg do iloczynu stężeń substratów podniesionych do odpowiednich potęg, jest wielkością stałą w danej temperaturze dla danej reakcji.
Reguła przekory (Le Chateliera-Brauna) jeżeli układ, będący w stanie równowagi chemicznej, zostanie zakłócony działaniem czynnika zewnętrznego to w układzie rozpocznie się przemiana, zmierzająca do osiągnięcia nowego stanu równowagi. Objętość molowa gazu doskonałego, do którego przyrównywane są gazy rzeczywiste, w warunkach normalnych wynosi 22,4 dm 3. W warunkach innych niż normalne, objętość gazów sprowadza się do warunków normalnych wykorzystując prawa gazowe. Z praw tych wynika, że związek pomiędzy objętością (V), ciśnieniem (p) i temperaturą bezwzględną (T) danej masy gazu można przedstawić zgodnie z równaniem: p o V o /T o = p 1 V 1 /T 1 (m = const.) gdzie: p o, V o, T o parametry gazu w warunkach normalnych p 1, V 1, T 1 parametry gazu w stanie 1 Po uwzględnieniu liczby moli gazu i prawa Avogadro otrzymujemy równanie stanu gazu doskonałego nazywane również równaniem Clapeyrona. Równanie Clapeyrona gdzie: p ciśnienie [Pa] V objętość gazu [dm 3 ] n ilość moli gazu R stała gazowa = 8,31 J/mol K T temperatura [K] pv = nrt
Obliczenia stechiometryczne są obliczeniami chemicznymi przeprowadzanymi dzięki znajomości wzorów związków chemicznych i równań reakcji. Równanie reakcji przedstawia jakościowy i ilościowy charakter zmian jakim zostają poddane poszczególne reagenty w toku reakcji chemicznej, zobrazowane przy pomocy wzorów związków chemicznych i symboli pierwiastków. Obliczenia wg zapisu równań reakcji chemicznych (Przykład 3) Oblicz ile gramów i ile moli żelaza należy rozpuścić w nadmiarze kwasu siarkowego(vi) aby otrzymać 10g siarczanu(vi) żelaza(ii). Rozwiązanie: Obliczenie stechiometryczne należy rozpocząć od poprawnego zapisu równania reakcji i uzgodnienia współczynników stechiometrycznych. Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 W reakcji tej interesującymi reagentami są żelazo i siarczan(vi) żelaza(ii). Z równania reakcji wynika, że z jednego mola żelaza w wyniku reakcji z kwasem siarkowym(vi) powstaje jeden mol soli siarczanu(vi) żelaza(ii). Błąd przy zapisie reagentów a następnie złe uzgodnienie równania reakcji chemicznej prowadzi do fałszywego wyniku. Zapis ten można przedstawić jako: 1 mol Fe 1 mol FeSO 4 który następnie zamieniamy na postać mas molowych, dogodniejszych do obliczeń przeprowadzonych zgodnie z regułami proporcji: 56g Fe 152g FeSO 4 x g Fe 10g FeSO 4 x g Fe = 10g 56g/152g = 3,68gFe 1 mol żelaza waży 56g więc 3,68g żelaza zawarte jest w: 1 mol Fe 56g y mol Fe 3,68g y mol Fe = 0,06 mola Fe Przykład 4.
Oblicz ile gramów cynku, zawierającego 5% zanieczyszczeń trzeba użyć w reakcji z nadmiarem kwasu solnego, aby otrzymać 30dm 3 wodoru odmierzonego w warunkach normalnych.
Rozwiązanie: Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2 1 mol Zn 1 mol H 2 Uwzględniając masę molową cynku i objętość 1 mola H 2 w warunkach normalnych (Vmol = 22,4 dm 3 ) oblicza się masę cynku potrzebną do uzyskania 30 dm 3 wodoru w oparciu o równanie reakcji 65 g Zn 22,4 dm 3 x g Zn 30 dm 3 x g Zn = 87,05g Zn ponieważ cynk zawiera zanieczyszczenia, trzeba doliczyć 5% do wartości wynikającej z równania reakcji, które będą przypadały na zanieczyszczenia. Można to obliczyć z następującej proporcji: 87,05g - 100% y g 5% y = 4,35g zanieczyszczeń Całkowita masa cynku (wraz z zanieczyszczeniami) jest sumą czystego cynku i zanieczyszczeń czyli: 87,05g + 4,35g = 91,4g. Zadania: 1. Oblicz jaką objętość w warunkach normalnych zajmie 14g tlenku węgla(ii). 2. Podczas prażenia 100kg wapienia otrzymano 20m 3 tlenku węgla(iv) w warunkach normalnych. Oblicz, jaki procent masy w użytym do reakcji wapieniu stanowiły zanieczyszczenia a ile czysty węglan wapnia. 3. Ile dm3 tlenu odmierzonego w warunkach normalnych należy użyć w reakcji z wodorem aby uzyskać 5g H 2 O. 4. Jaka objętość wodoru odmierzonego w warunkach normalnych wydzieli się w wyniku reakcji 5g magnezu z nadmiarem kwasu fosforowego(v).
5. Podczas spalenia w tlenie 10g magnezu powstała pewna ilość tlenku magnezu. Określ ile moli i ile gramów tego tlenku powstało w wyniku tej reakcji. 6. Oblicz ile gramów osadu siarczanu(vi) baru powstanie w wyniku reakcji 3g chlorku baru z kwasem siarkowym(vi). 7. Siarkowodór otrzymuje się w wyniku reakcji kwasu chlorowodorowego z siarczkiem żelaza(ii). Ile gramów siarkowodoru powstanie w wyniku reakcji 5g siarczku żelaza(ii) z kwasem chlorowodorowym i jaką objętość zajmie otrzymany siarkowodór w warunkach normalnych. 8. Ile m 3 wodoru odmierzonego w warunkach normalnych otrzyma się w reakcji 50g sodu z wodą? 9. W wyniku reakcji magnezu z rozcieńczonym kwasem siarkowym(vi) wydzieliło się 18 dm3 wodoru w warunkach normalnych. Ile waży otrzymany wodór i jaką ilość magnezu wzięto do reakcji żeby otrzymać taką objętość wodoru. 10. Oblicz procentową zawartość miedzi w pięciowodnym siarczanie(vi) miedzi(ii). 11. Oblicz ilość cząsteczek tlenku węgla(iv) zawartych w 75cm 3 tego gazu odmierzonego w warunkach normalnych. 12. Podczas rozkładu chloranu(v) potasu powstają: tlen i chlorek potasu zgodnie z równaniem reakcji: KClO 3 = 3/2O 2 + KCl Ile moli tlenu otrzyma się w wyniku rozkładu 4 moli tej soli i jaką objętość w warunkach normalnych zajmie wydzielający się gaz.
13. Ile gramów amoniaku wydzieli się w reakcji rozkładu 15g siarczanu(vi) amonu pod wpływem wodorotlenku potasu? Jaką objętość zajmie w warunkach normalnych wydzielający się amoniak?