This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
KEMIJSKO RAČUNANJE(STEHIOMETRIJA)
LITERATURA: B. Perić, Kemijsko računanje, Hrvatsko društvo kemijskih inženjera i tehnologa, Zagreb, 2006.
3. UDJELI3.1. udjeli-uvod3.2. kvantitativno izražavanje sastava smjesa3.3. udjeli-primjeri
4. PLINOVI4.1. plinovi-uvod4.2. jednadžba stanja idealnog plina4.3. primjeri
5. GUSTOĆA5.1. gustoća-uvod5.2. primjeri
6. MJERODAVNI REAKTANT I REAKTANT U SUVIŠKU6.1. mjerodavni reaktant-uvod6.2. reaktanti u suvišku-uvod6.3. primjer
SADRŽAJ:
2
7. ISKORIŠTENJE I GUBITCI7.1. iskorištenje i gubitci na produktu7.2. iskorištenje i gubitci na mjerodavnom reaktantu7.3. gubitci na reaktantima u suvišku7.4. primjeri7.5. suvišak reaktanta7.6. primjer-iskorištenje i reaktant u suvišku
SADRŽAJ:
1. uvod
3
• odnosi masa reaktanata i produkata
• zakon o održavanju masa
• različito zadana količina reaktanata
MOLNA METODA:
• pristup određivanju količine produkata (reaktanata) kemijskom reakcijom
• stehiometrijski koeficijenti kao molovi tvari
1. uvod
)mol (g
(g) (mol)
1-M
mn =
6,023×1023
6,023×10231000 ×
)mol (g
(g) (mol)
1-M
mn =
1 mol
1 kmol 6 limenki u pakiranju
pakiranje limenki-1
broj limenki
broj pakiranja
1.1 molna metoda
4
2. koraci
1) pisanje točnih formula svih sudionika i uravnotežavanje kem. reakcije
2 NaCl(s) + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl
2) pretvaranje količine nekih ili svih poznatih tvari u molove
koliko u 18,3 kg HCl ima molova?
3) korištenje koeficijenata u uravnoteženoj kem. reakciji za utvrđivanje broja molova tražene tvari (stehiometrijski odnos)
n(H2SO4) : n(HCl) = 1 : 2
n(H2SO4) = 1/2 × n(HCl)
4) pretvaranje broja molova u tražene jedinice
koliko teži n(H2SO4) u kg?
5) provjera rezultata
2.1. molna metoda-koraciKolike mase natrijevog klorida i sumporne kiseline trebaju međusobno reagirati za dobivanje 18,3 kg klorovodične kiseline ?
5
1) 2 NaCl(s) + H2SO4 ���� Na2SO4 + 2 HCl
2.1. molna metoda-koraci
prisutno 18,3 kg
Radi se o molnoj metodi, te je potrebno izračunati broj molova prisutne tvari!
2) m (HCl) = 18,3 kg
Koliko je to molova HCl?
M (HCl) = 36,45 g mol-1 = 36,45 kg kmol-1
kmol 5,0kmol kg 36,45
kg 18,3ili
mol g 36,45
kg 18,3
)mol (g
(g) (mol)
1-1-1-===
M
mn
DIMENZIJSKA ANALIZA !!!!
ili
n(H2SO4) = ½ n(HCl) = ½ × 0,5 kmol = 0,25 kmoln(Na2SO4) = ½ n(HCl) = ½ × 0,5 kmol = 0,25 kmoln(NaCl) = n(HCl) = 0,5 kmol = 0,5 kmol
Tvari koje se upotrebljavaju u laboratorijskoj i tvorničkoj praksi često nisu “čiste” (100 %-tne).
U takvim slučajevima u zadanoj tvari treba najprije odrediti količinu “čiste tvari” i zatim s tom količinom provesti potreban račun.
3.1. udjeli-uvod
masa reaktanta (A)
udio n = m/M masa
uravnotežena kem. jednadžba
masa čiste tvari reaktanta (A)
molovi čiste tvari
reaktanta (A)
molovi čiste tvari
produkta (B)
n = m/M masa
masa čiste tvari produkta (B)
masa produkta
(B)
udio
NAPOMENA: Ovaj korak se može shvatiti kao kemijski proces odjeljivanja ili rastavljanja smjesa na čiste
tvari, ili obratno (vidi kasnije).
Naime, molarna masa je vezana za čistu tvar (kako je izračunavate?!).
Ukoliko u pakiranju imate limenke različite mase i u promjenjivim omjerima, nemoguće je
izračunati ukupan broj pakiranja iz ukupne mase limenki!
3.1. udjeli-uvod
8
Maseni udio (w) neke tvari u smjesi ili otopini jest omjer mase te tvari i ukupne
mase svih tvari u smjesi ili otopini (masa smjese ili otopine).
Izražavamo ga i u postocima,
w (%) = w · 100 s bazom 100
ili u decimalnom obliku w/1 s bazom 1.
npr.
)(
)(
)()()(
)()(
3 smjesem
KClm
MgCOmNaClmKClm
KClmKClw =
++=
3.1. udjeli-uvod
3.2. Kvantitativno izražavanje sastava smjesa
množinski udio
maseni udio
volumni udio
ukupni volumen
koncentracije
množinska
volumna
masena
volumen otopine
molalnost
udjeli
Udjelima i koncentracijama se kvantitativno izražava količina određene tvari u smjesi odnosno sastav smjesa. Koncentracijama i molalitetom se uglavnom izražava sastav homogenih smjesa.
9
Kolike mase natrijevog karbonata i kalcijevog hidroksida su potrebne za
dobivanje 116 g otopine natrijevog hidroksida masenog udjela NaOH,
w(NaOH)=30% ?
Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2 NaOH + CaCO3
3.3. udjeli-primjer
w(NaOH) = 0,3
NaOH 34,8 g
NaOH 40 g mol-1
Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2 NaOH + CaCO3(s)
Na2CO3 106 g mol-1
Ca(OH)2 74 g mol-1
n = m/Muravnotežena
kem. jednadžba
n = m/M
NaOH 0,87 mol
NaOH0,3 116 g
0,435 mol Na2CO3
0,435 mol Ca(OH)2
46 g Na2CO332 g Ca(OH)2
prisutno 0,87potrebno 0,435 0,435 nastaje 0,435 KONAČNO 0,435 0,435 0,87 0,435
Preradom 205 kg olovne rude ceruzit dobiveno je 100 kg olova. Koliki je
maseni udio olovnog karbonata u ceruzitu ?
PbCO3 → PbO + CO2
2 PbO + C → 2 Pb + CO2
PbCO3 → PbO + CO2 /×2
2 PbO + C → 2 Pb + CO2
2 PbCO3 → 2 PbO + 2 CO2
2 PbO + C → 2 Pb + CO2
2 PbCO3 + C → 2 Pb + 3 CO2
3.3. udjeli-primjer
10
? kg
)(
)( 3
ceruzitam
PbCOm
2 PbCO3 + C → 2 Pb + 3 CO2
267,2 kg kmol-1
udio
n = m/M
uravnoteženakem. jednadžbam = n× M
ceruzit 205 kg
Pb 100 kg
Pb 207 kg kmol-1
Pb 0,48 kmol0,48 kmol PbCO3PbCO3 128 kg
w (PbCO3) =
3. udjeli-primjer
nastaje/zadano 0,48potrebno 0,48 0,24 nastaje 0,72 KONAČNO 0,48 0,24 0,48 0,72
= 0,62
4. plinovi
11
Primjenom Avogadrovog zakona mogu se izračunati ne samo množine (mase), već i volumeni plinovitih reaktanata i produkata.
Avogadrov zakon glasi: Plinovi jednakog volumena pri istoj temperaturi i istom tlaku sadrže isti broj molekula.
Iz Avogadrovog zakona slijedi da je volumni odnos plinova kod kemijske reakcije jednak odnosu množina pri stalnom tlaku i temperaturi.
Volumen jednog mola plina nazivamo molarnim volumenom (Vm) i on iznosi uz standardne uvjete (temperatura 0° C i tlak 101325 Pa) 22,4 dm3 mol-1.
4.1. plinovi-uvod
• kombinacija plinskih zakona i Avogadrovog zakona
• Avogadrov zakon; V = konstanta × n
• Charles - Gay Lussacov zakon; V = konstanta × T
• Boyle-Mariottov zakon; V = konstanta / P
uvjeti za konstantu
n = 1 mol
T=273,15 K
p = 101325 Pa
V = 22,414 dm3
konst=R = 8314 Pa dm3 mol-1 K-1
4.2. jednadžba stanja idealnog plina
p
TnkonstV
××=
TnkonstpV ××=
pV = nRT
12
Koliki volumen (dm3) kisika treba za spaljivanje 17,5 dm3 etana i koliko dm3 ugljikovog dioksida nastaje pri standardnim uvjetima ?
Koliki volumen (m3) klora pri temperaturi 315,15 K i tlaku 102 658 Pa treba za reakciju s 82,4 g silicijevog dioksida (w = 0,95) i koliki volumen SiCl4 (u m3) nastaje pri temperaturi 332,15 K i tlaku 109 591 Pa?
U laboratoriju se vodik dobiva najčešće u Kippovu aparatu reakcijom cinka i razrijeđene klorovodične ili sumporne kiseline. Koliki se volumen vodika (295,15 K ; 100 400 Pa) dobije od 56,6 g cinka (w(Zn)=98,3%)? Koliki je volumen otopine sumporne kiseline (w(H2SO4) = 26,0 %) gustoće 1,187 g cm−3 za to potreban?
Mjerodavni reaktant jest onaj reaktant koji je prisutan u stehiometrijskoj količini
s obzirom na određenu jednadžbu kemijske reakcije. U kemijskoj
reakciji može sudjelovati i više mjerodavnih reaktanata.
U slučaju da su svi reaktanti prisutni u stehiometrijskom omjeru, svi su
mjerodavni.
6.1. mjerodavni reaktant -uvod
* Razlozi zašto reakcija nije potpuna u slučaju prisutnosti stehiometrijske količine reaktanta su: uspostavljanjekemijske ravnoteže, odvijanja neželjenih sporednih reakcija ili drugih gubitaka tijekom proizvodnje.
Reaktanti u suvišku su prisutni u suvišku, tj. količini većoj od stehiometrijske
(teorijski nužne) količine za reakciju s mjerodavnim reaktantom. Oni su u suvišku
pr. zbog reakcije -12,9 -6,45kraj reakcije 0 1,25nastaje 12,9 6,45KONAČNO 12,9 6,45 12,9 6,45
NaCl 58,44 g mol-1NaCl w = 0,982
udio n = m/MNaCl0,982 767 g NaCl 753 g NaCl 12,9 mol
H2SO4 98 g mol-1H2SO4 w = 0,795
udio n = m/M
H2SO4 0,795 950 g H2SO4 755 g H2SO4 7,7 mol
NaCl 12,9 mol
uravnoteženakem. jednadžba
HCl 12,9 mol
pV = nRT
HCl 289 dm3
2675,17,7
9,12
)SOH(
)NaCl(
42
<==n
n
6.3. primjer
20
7. iskorištenje i gubitci
Iskorištenje (iscrpak) jest omjer stvarno dobivene količine produkta i količine koja je teorijski
mogla nastati reakcijom mjerodavnog reaktanta.
Ako iskorištenje nije 100%-tno, da bi se dobila željena količina produkta, treba povećati količine
reaktanata uvažavajući iskorištenje.
I = (nr/nt)×100%I iskorištenje ili iscrpak
nr količina stvarno dobivenog produkta
nt teorijska količina produkta koja je teorijski mogla nastati potpunom reakcijom mjerodavnog reaktanta
Gubitak produkta jest količina produkta koja je izgubljena (nije dobivena) zbog
nepotpune reakcije mjerodavnog reaktanta ili zbog gubitka tijekom tehnološkog procesa.
Gp = (nND/nt)×100% = [(nt-nr)/nt] ×100%
Gp gubitak produkta u postocimanND količina produkta koja nije dobivena
nr količina stvarno dobivenog produkta
nt teorijska količina produkta koja je mogla nastati potpunom reakcijom mjerodavnog reaktanta
Vrijedi I + Gp = 100%
7.1. iskori štenje i gubitci na produktu
21
Spotpunosti reakcije = (nr/nt)×100%
nr količina mjerodavnog reaktanta koja je reagirala
nt teorijska količina mjerodavnog reaktanta koja je teorijski trebala reagirati
Stupanj potpunosti reakcije jest omjer količine mjerodavnog reaktanta koja je
reagirala i količine koja je teorijski mogla reagirati.
Gubitak mjerodavnog reaktanta jest omjer količine mjerodavnog reaktanta
koja nije reagirala i one količine mjerodavnog reaktanta koja je trebala i mogla
reagirati (sva količina).
GMR = (nNR/nt)×100% = [(nt-nr)/nt]
GMR gubitak mjerodavnog reaktanta
nNR količina mjerodavnog reaktanta koja nije reagirala
nt količina mjerodavnog reaktanta koja je teorijski trebala reagirati, tj. količina prisutnog mjerodavnog
reaktanta
nr količina mjerodavnog reaktanta koja je reagirala
Spotpunosti reakcije + GMR = 100%
7.2. gubitci na mjerodavnom reaktantu
Gs = (nNR/ nt)×100% = [(ns - nr)/nt]×100%
Gs gubitak reaktanta u suvišku
nNT ¸ količina reaktanta u suvišku koja nije reagirala
nr količina reaktanta u suvišku koja je reagirala
ns ukupna količina reaktanta u suvišku
nt teorijska količina reaktanta koja je trebala reagirati
Gubitak reaktanta u suvišku jest količina reaktanta u suvišku koja nije reagirala,a izražava se u postocima od količine reaktanta u suvišku koja je teorijski mogla reagirati s mjerodavnim reaktantom.
NAPOMENA:
• Iako je često slučaj da su vrijednosti stupnja potpunosti reakcije i iskorištenja iste, iskorištenje je strogo
vezano za gubitke koje se događaju na reaktantu (npr. moguće nebrtvljenje aparature i curenje produkta)!
• Načelno se ne bi mogli izračunati podaci vezani za količinu reaktanata koja je reagirala, kao i njihovi
gubici ukoliko samo znamo iskorištenje!
7.3. gubitci na reaktantima u suvi šku
22
1
I = (nr/nt)×100%
= (1/2)×100% = 50%
MR
Gp = (nND/nt)×100% = [(nt-nr)/nt] ×100%= [(2-1)/2] ×100%= 50 %
7.4. primjerKoliko se otopine sumporne kiseline (w(H2SO4)=98,6%) troši za dobivanje 134 kg otopine fluorovodične kiseline (w(HF)=54,2%) ako je iskorištenje 90,7% ?
Koliko se dobije fluorovodika (w(HF)=54,2%) od 120 kg fluorita (w(CaF2)=95,5%) ako je iskorištenje
90,7% ? Koliko je za to potrebno utrošiti otopine sumporne kiseline (w(H2SO4)=98,6%) ukoliko se ona treba
uzeti u 25 % suvišku?
CaF2(s) + H2SO4 ���� CaSO4(s) + 2 HF(g)
w(CaF2)=95,5% CaF2 78 kg kmol-1i = 0.907
=i
HF 20 kg kmol-1
HFstvarno 53 kg
w(HF)=54,2%
HFstvarno 0,542
97,79 kg
H2SO4 1,47 kmol
udio
n = m/M
H2SO4 180 kg
H2SO4 0,986182 kg
H2SO4 98 kg kmol-1 w(H2SO4)=0,986
suvišak
S = 1,25
H2SO41,837 kmol
suvišak
7.6. primjer – iskori štenje i reaktant u suvi šku
25
Koliki volumen zraka (φ(O2) = 0.21) pri 297,15 K i 98 285 Pa je potreban za oksidaciju 36,5 dm3 otopine etanola (w(C2H5OH)=73,5% ; ρ(C2H5OH) = 0,864 g cm−3)? Zrak treba upotrijebiti u 56,5%-tnom suvišku. Koliki volumen ugljikovog dioksida pri 302,15 K i 100 658 Pa i kolika masa vode nastaju ako je iskorištenje 95%?
C2H5OH + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l)
Kolika masa natrijevog klorida je potrebna (w(NaCl) = 98%) je potrebno za dobivanje 56,8 m3 klorovodika (T = 313,15 K, p = 106 391 Pa) ako je iskorištenje 96,7%? Koliko se dm3 sumporne kiseline (w(H2SO4)= 78,5%, ρ(H2SO4) = 1,71 kg/dm3) troši?
2 NaCl + H2SO4→ Na2SO4 + 2 HCl
7.6. primjer
Kolika masa kalijevog jodida (w(KI) = 0,990) treba za dobivanje 24,8 m3
jodovodika pri 311,15 K i 108,418 kPa ako je iskorištenje 98,7%? Koliki se volumen otopine fosforne kiseline (w(H3PO4) = 0,450, ρ(H3PO4) = 1,293 g cm−3) troši?
3 KI(s) + H3PO4 → 3 HI(g) + K3PO4.
Kolika masa soli (w(NaCl) = 0,982) je potrebna za dobivanje 34,2 m3
klorovodika (308,15 K; 99 298 Pa) ako je iskorištenje 89,0%? Koliki volumen otopine sumporne kiseline (w(H2SO4) = 0,812, ρ(H2SO4) =1,740 g cm−3) je potreban za reakciju sa soli ako kiselinu treba uzeti u 5,2%-tnom suvišku?
2 NaCl(s) + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl
7.6. primjer
26
Izračunajte ukupan broj molova plinova u 5 L zraka, koji ima temperaturu295 K, ako je parcijalni tlak kisika 18 000 Pa, a dušika 80 000 Pa?Izračunajte i koliko molova kisika je prisutno u smjesi?Zanemarite sve ostale plinove u zraku osim kisika i dušika!
ukupni tlak = pkisika + pdušika= 18 000 Pa + 80 000 Pa = 98 000 PapV = nuk RT
nuk = pV/RT = 98 000 Pa × 0,005 m3/ 8.314 Pa m3 mol-1 K-1 × 295 K= 0,1998 mol nkisik = pkisik × V/ RT = (18 000 Pa × 0.005 m3) / (8,314 Pa m3 mol-1 K-1 × 295 K) = 0,0367 mol