4.3 Efnamagnfræði efnahvarfa
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- útskýrt hugtakið efnamagnfræði í tengslum við efnahvörf
- notað stilltar efnajöfnur til að leiða út efnamagnfræðilega stuðla sem tengja saman magn hvarfefna og myndefna
- framkvæmt efnamagnfræðilega útreikninga sem fela í sér massa, mól og mólstyrk lausna
Stillt efnajafna veitir miklar upplýsingar á mjög hnitmiðaðan hátt. Efnaformúlur sýna hvaða hvarfefni og myndefni taka þátt í efnabreytingunni, sem gerir kleift að flokka efnahvarfið. Stuðlar gefa upp hlutfallslegan fjölda þessara efna. Þannig má meta magnbundið samband milli þess magns efna sem eyðist og myndast í hvarfinu. Þessi magnbundnu tengsl kallast efnamagnfræði efnahvarfsins. Hugtakið er dregið af grísku orðunum stoicheion (sem þýðir „frumefni“) og metron (sem þýðir „mál“ eða „mæling“). Í þessum kafla er fjallað um hvernig stilltar efnajöfnur eru notaðar í margvíslegum efnamagnfræðilegum notkunum.
Almenn nálgun við notkun efnamagnfræðilegra tengsla svipar mjög til þess hvernig fólk ber sig að við margar hversdagslegar athafnir. Matargerð er til dæmis ágætis samanburður. Uppskrift að átta pönnukökum krefst 1 bolla af pönnukökudeigi, 3/4 bolla af mjólk og eins eggs. „Jafnan“ sem lýsir pönnukökubakstri samkvæmt þessari uppskrift er:
Ef þörf er á tveimur tylftum af pönnukökum fyrir stóran fjölskyldumorgunverð þarf að auka magn innihaldsefna í réttu hlutfalli við það magn sem gefið er upp í uppskriftinni. Til dæmis er fjöldi eggja sem þarf til að baka 24 pönnukökur
Stilltar efnajöfnur eru notaðar á svipaðan hátt til að ákvarða magn eins hvarfefnis sem þarf til að hvarfast við tiltekið magn annars hvarfefnis, eða til að mynda tiltekið magn myndefnis, og svo framvegis. Stuðlarnir í stilltu jöfnunni eru notaðir til að leiða út efnamagnfræðilega stuðla sem gera kleift að reikna út æskilegt magn. Til að skýra þessa hugmynd skulum við skoða framleiðslu á ammoníaki við hvarf vetnis og köfnunarefnis:
Þessi jafna sýnir að ammoníaksameindir myndast úr vetnissameindum í hlutföllunum 2:3. Hægt er að leiða út efnamagnfræðilega stuðla með því að nota hvaða mælieiningu magns (fjölda) sem er:
Þessa efnamagnfræðilegu stuðla er hægt að nota til að reikna út fjölda ammoníaksameinda sem myndast úr tilteknum fjölda vetnissameinda, eða fjölda vetnissameinda sem þarf til að mynda tiltekinn fjölda ammoníaksameinda. Hægt er að leiða út svipaða stuðla fyrir hvaða par efna sem er í hvaða efnajöfnu sem er.
Dæmi 4.8
Mól hvarfefnis sem þarf í efnahvarfi
Hversu mörg mól af I₂ þarf til að hvarfast við 0,429 mól af Al samkvæmt eftirfarandi jöfnu (sjá mynd 4.10)?
Lausn
Með hliðsjón af stilltu efnajöfnunni er efnamagnfræðilegi stuðullinn sem tengir efnin tvö sem um ræðir 3 mól I₂ / 2 mól Al. Mólfjöldi joðs fæst með því að margfalda gefinn mólfjölda áls með þessum stuðli:
Prófaðu þig
Hversu mörg mól af Ca(OH)₂ þarf til að hvarfast við 1,36 mól af H₃PO₄ og mynda Ca₃(PO₄)₂ samkvæmt jöfnunni 3 Ca(OH)₂ + 2 H₃PO₄ ⟶ Ca₃(PO₄)₂ + 6 H₂O?
Svar:
2,04 mól
Dæmi 4.9
Fjöldi myndefnasameinda sem myndast í efnahvarfi
Hversu margar koldíoxíðsameindir myndast þegar 0,75 mól af própani brenna samkvæmt þessari jöfnu?
Lausn
Aðferðin hér er sú sama og í dæmi 4.8, þótt beðið sé um heildarfjölda sameinda en ekki fjölda móla af sameindum. Þetta krefst þess einfaldlega að notaður sé umreiknistuðull úr mólum í fjölda, það er tala Avogadros.
Stillta jafnan sýnir að koldíoxíð myndast úr própani í hlutföllunum 3:1:
Með því að nota þennan efnamagnfræðilega stuðul, uppgefinn mólfjölda própans og tölu Avogadros,
Prófaðu þig
Hversu margar NH₃-sameindir myndast við hvarf 4,0 mól af Ca(OH)₂ samkvæmt eftirfarandi jöfnu:
Svar:
4,8 × 10²⁴ NH₃-sameindir
Þessi dæmi sýna hversu auðvelt er að tengja saman magn þeirra efna sem taka þátt í efnahvarfi þegar efnahlutföll eru þekkt. Það er hins vegar ekki auðvelt að mæla fjölda frumeinda og sameinda beint. Því krefst hagnýt notkun efnamagnfræði þess að við notum massa, sem auðveldara er að mæla.
Dæmi 4.10
Tengsl massa hvarfefna og myndefna
Hvaða massa af natríumhýdroxíði, NaOH, þarf til að framleiða 16 g af sýrubindandi lyfinu magnesíumjólk [magnesíumhýdroxíð, Mg(OH)₂] samkvæmt eftirfarandi efnahvarfi?
Lausn
Sú nálgun sem áður var notuð í dæmum 4.8 og 4.9 er sömuleiðis notuð hér. Það þýðir að við verðum að leiða út viðeigandi efnamagnfræðilegan stuðul úr stilltu efnajöfnunni og nota hann til að tengja saman magn efnanna tveggja sem um ræðir. Í þessu síðasta skrefi er einnig notaður mólmassi NaOH til að breyta mólum NaOH í grömm.
Prófaðu þig
Hvaða massa af gallíumoxíði, Ga₂O₃, er hægt að framleiða úr 29,0 g af gallíummálmi? Jafnan fyrir hvarfið er 4 Ga + 3 O₂ ⟶ 2 Ga₂O₃.
Svar:
39,0 g
Dæmi 4.11
Tengsl massa hvarfefna
Hvaða massi súrefnisgass, O₂, úr andrúmsloftinu eyðist við bruna á 702 g af oktani, C₈H₁₈, sem er eitt helsta innihaldsefni bensíns?
Lausn
Aðferðin sem hér þarf að beita er sú sama og í dæmi 4.10. Eini munurinn er sá að bæði uppgefni massinn og massinn sem beðið er um eiga við um hvarfefni.
Prófaðu þig
Hvaða massa af CO þarf til að hvarfast við 25,13 g af Fe₂O₃ samkvæmt efnajöfnunni Fe₂O₃ + 3 CO ⟶ 2 Fe + 3 CO₂?
Svar:
13,22 g
Þessi dæmi sýna aðeins fáein tilvik um útreikninga í efnamagnfræði efnahvarfa. Fjölmörg tilbrigði við upphafs- og lokaskref útreikninganna eru möguleg, allt eftir því hvaða stærðir eru gefnar og hverra er leitað (rúmmál, styrkur lausna og svo framvegis). Óháð smáatriðum eiga allir þessir útreikningar einn sameiginlegan lykilþátt: notkun efnamagnfræðilegra stuðla sem leiddir eru út frá stilltum efnajöfnum. Mynd 4.11 sýnir almennt yfirlit yfir hin ýmsu reikniskref sem tengjast mörgum útreikningum í efnamagnfræði efnahvarfa.
