Jak używać współczynników molowych do obliczania ilości reagentów potrzebnych do przeprowadzenia reakcji.

Wprowadzenie

Co mają ze sobą wspólnego chemia i ciasteczka? Okazuje się, że sporo! Zbilansowane równanie reakcji jest jak przepis na jej wykonanie: zawiera listę wszystkich reagentów (składniki) i produktów (ciasteczka) oraz ich względne proporcje.
Wykorzystanie zbilansowanych równań reakcji do obliczania ilości substratów i produktów nazywa się stechiometrią. Jest to niezwykle technicznie brzmiące słowo, które zwyczajnie oznacza wykorzystanie współczynników ze zbilansowanego równania. W tym artykule, omówimy jak używać współczynników molowych do obliczania ilości reagentów potrzebnych do przeprowadzenia reakcji.

Zbilansowane równania i wspólczynniki molowe

Współczynniki stechiometryczne są liczbami, których używamy aby mieć pewność że nasze równanie reakcji jest zbilansowane. Możemy stworzyć odpowiednie ułamki używając współczynników stechiometrycznych, które pozwolą nam dowiedzieć się jakie są względne proporcje substancji chemicznych w naszej reakcji. Ułamki te nazywane są ułamkami molowymi, stosunkami molowymi lub ułamkami stechiometrycznymi. Ułamki molowe mogą być użyte jako przeliczniki pomiędzy różnymi ilościami substancji.
Przydatna rada: Pierwszy i najważniejszy krok w rozwiązywaniu problemów stechiometrycznych, niezależnie od tego w jakim celu są rozwiązywane, jest zawsze taki sam — upewnij się, że twoje równanie reakcji jest poprawnie zbilansowane! Jeśli równanie nie jest poprawnie zbilansowane, ułamki molowe będą błedne i tym samym odpowiedzi nie będą poprawne.
Przykładowo, wspólczynniki stechiometryczne poniższego zbilansowanego równania reakcji pokazują nam, że 1 mol Fe2O3\text{Fe}_2 \text O_3 przereaguje z 2 molami Al\text{Al} dając 2 mole Fe\text{Fe} i 1 mol Al2O3\text{Al}_2 \text O_3.
Fe2O3(s)+2Al(s)2Fe(l)+Al2O3(s)\text {Fe}_2 \text O_3(s) + \blueD{2} \text {Al} (s) \rightarrow \redD{2} \text {Fe} (l) + \text {Al}_2 \text O_3(s)
Jeśli znamy masę reagenta Fe2O3\text{Fe}_2 \text O_3, możemy obliczyć ile moli Al\text{Al} potrzeba aby całkowicie przereagować z Fe2O3\text{Fe}_2 \text O_3 przy użyciu stosunku ich współczynników:
Stosunek molowy Al do Fe2O3=2mole Al1mol Fe2O3\text{Stosunek molowy Al do Fe}_2\text{O}_3=\dfrac{\blueD{2}\,\text {mole Al}}{1 \,\text{mol Fe}_2 \text O_3}

Przykład: Wykorzystanie stosunków molowych do obliczania masy reagenta

Dla poniższego niezbilansowanego równania reakcji, ile gramów NaOH\text{NaOH} jest potrzebne aby całkowicie przereagować z 3,10 gram H2SO4\text H_2 \text{SO}_4?
NaOH(aq)+H2SO4(aq)H2O+Na2SO4(aq)       Niezbilansowane!\text {NaOH}(aq) + \text H_2 \text{SO}_4 (aq) \rightarrow \text H_2 \text O + \text {Na}_2 \text{SO}_4(aq)~~~~~~~\text{Niezbilansowane!}
W tej reakcji mamy 1 atom Na\text{Na} i 3 atomy H\text H po stronie substratów oraz 2 atomy Na\text{Na} i 2 atomy H\text H po stronie produktów. Możemy zbilansować nasze równanie mnożąc NaOH\text{NaOH} przez 2 aby uzyskać po 2 Na\text{Na} po obu stronach równania oraz mnożąc H2O\text H_2 \text O przez 2 aby po obu stronach uzyskać 6 O\text O i 4 H\text H. W rezultacie otrzymamy następujące zbilansowane równanie reakcji:
2NaOH(aq)+H2SO4(aq)2H2O+Na2SO4(aq)    Zbilansowane, huraa!2 \text {NaOH}(aq) + \text H_2 \text{SO}_4 (aq) \rightarrow 2\text H_2 \text O + \text {Na}_2 \text{SO}_4(aq)~~~~ \text{Zbilansowane, huraa!}
Teraz kiedy mamy zbilansowane równanie, możemy zadać sobie następujące pytania:
  • Dla których reagentów znamy ich ilości użyte w reakcji?
  • Co próbujemy obliczyć?
W tym przykładzie znamy ilość użytego H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 — 3,10 gramów, a chcemy obliczyć ilość potrzebnego NaOH\text{NaOH}. Uzbrojeni w zbilansowane równanie reakcji i jasne poczucie celu — z dużym prawdopodobieństwem — możemy użyć następującej strategii do rozwiązania tego stechiometrycznego problemu:

Krok 1: Zamiana znanych ilości reagentów na mole

W naszym przypadku znaną wielkością jest masa H2SO4\text H_2 \text{SO}_4. Możemy ją przeliczyć na liczbę moli znając masę cząsteczkową tego kwasu. Znając masę cząsteczkową H2SO4\text H_2 \text{SO}_4, która wynosi 98,09 g/mol, możemy obliczyć liczbę moli H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 następującym sposobem:
3,10gH2SO4×1molH2SO498,09gH2SO4=3,16×102mola H2SO43{,}10 \cancel{\text g \,\text H_2 \text{SO}_4} \times \dfrac{1 \,\text{mol} \,\text H_2 \text{SO}_4}{98{,}09 \cancel{\text g \,\text H_2 \text{SO}_4}} =3{,}16 \times 10^{-2} \, \text {mola H}_2 \text{SO}_4

Krok 2: Wykorzystanie stosunków molowych do obliczania liczby moli innych reagentów

Interesuje nas obliczenie ilości potrzebnego NaOH\text{NaOH}. Możemy do tego użyć stosunku molowego pomiędzy NaOH\text{NaOH} i H2SO4\text H_2 \text{SO}_4. Z naszego zbilansowanego równania reakcji wiemy, że potrzeba 2 mole NaOH\text{NaOH} na każdy 1 mol H2SO4\text H_2 \text{SO}_4, co daje nam poniższy stosunek molowy:
Stosunek molowy NaOH do H2SO4=2mole NaOH1mol H2SO4\text{Stosunek molowy NaOH do H}_2 \text{SO}_4=\dfrac{2\,\text{mole NaOH}}{1\,\text{mol H}_2 \text {SO}_4}
Możemy wykorzystać ten stosunek do przeliczenia liczby moli H2SO4\text H_2 \text{SO}_4, obliczonej w kroku 1, na liczbę moli NaOH\text{NaOH}:
3,16×102molaH2SO4×2mole NaOH1mol H2SO4=6,32×102mola NaOH3{,}16 \times 10^{-2} \cancel{\text {mola} \,\text H_2 \text{SO}_4} \times \dfrac{2\,\text{mole NaOH}}{1\cancel{\text{mol H}_2 \text {SO}_4}} =6{,}32 \times 10^{-2} \,\text {mola NaOH}
Należy zauważyć, że stosunek molowy może zostać zapisany na 2 sposoby:
2mole NaOH1mol H2SO4     \dfrac{2\,\text{mole NaOH}}{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}~~ \greenD{\checkmark}~~~lub   1mol H2SO42mole NaOH  X~~~ \dfrac{1\, \text{mol H}_2 \text {SO}_4}{2\,\text{mole NaOH}}~~\redD{\mathsf X}
W zależności od tego której formy użyjemy, otrzymamy inne wyniki! Jednak tylko w przypadku użycia poprawnego stosunku molowego możliwe będzie skrócenie jednostek. Dlatego też tak ważnym jest aby zawsze sprawdzać jednostki ! Aby poznać w jaki sposób jednostki mogą być traktowane jak liczby dla łatwiejszego ich ogarnięcia, możecie obejrzeć video na temat analizy wymiarowej.

Krok 3: Zamiana liczby moli na masę

Znając masę cząsteczkową NaOH\text{NaOH} możemy przeliczyć liczbę moli NaOH\text{NaOH}, uzyskaną w kroku 2, na masę wyrażoną w gramach.
6,32×102molaNaOH×40,00g NaOH1mol NaOH=2,53g NaOH6{,}32 \times 10^{-2} \cancel{\text {mola} \,\text {NaOH} }\times \dfrac{40{,}00\,\text{g NaOH}}{1 \cancel{\text{mol NaOH}}} =2{,}53 \,\text {g NaOH}
W tej reakcji będziemy potrzebować 2,53 gram NaOH\text{NaOH} aby w pełni przereagować z 3,10 gram H2SO4\text H_2 \text{SO}_4.
Na skróty: Możemy również połączyć ze sobą wszystkie wymienione kroki w jednym równaniu, z zastrzeżeniem abyśmy zwracali szczególną uwagę na jednostki. W celu przeliczenia masy H2SO4\text H_2 \text{SO}_4 na masę NaOH\text{NaOH}, możemy rozwiązać następujące wyrażenie:
Jeśli przyjrzymy się powyższemu wyrażeniu, możemy łatwo rozdzielić je na omawiane wcześniej kroki 1 — 3. Jedyną różnicą jest to, że zamiast obliczania każdego etapu osobno, robimy to wszystko za jednym razem.

Podsumowanie

Współczynniki zbilansowanego równania reakcji chemicznej wskazują nam proporcje substratów i produktów. Możemy wykorzystać te stosunki tych współczynników do przeliczania pomiędzy ilościami substratów i produktów w naszej reakcji.
Po więcej informacji na temat innych typowych obliczeń stechiometrycznych, sięgnij do tej ekscytującej kontynuacji na temat reagentów ograniczających i obliczania procentu wydajności!
Ładowanie