استوکیومتری – به زبان ساده

موازنه

واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها

$$2 Na _ { ( s ) } + 2 H C l _ {( a q )} \rightarrow 2 N a C l _{(a q)} + H _{2 ( g) }$$

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.

فیلم آموزش حل مسائل استوکیومتری و تهیه محلول‌ها در فرادرس

کلیک کنید

این ضرایب استوکیومتری به دلیل نشان دادن نسبت‌های مولی بین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها بسیار پرکاربرد هستند. معادله واکنش زیر را در نظر بگیرید:

$$2 N a _ { ( s ) } + 2 H C l _ {( a q )} \rightarrow 2 N a C l _ {( a q ) } + H _ {2 ( g ) }$$

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.

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 $$C O _ 2$$ و $$H _ 2 O$$ از واکنش یک ماده شیمیایی با $$O _ 2$$ 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:

$$A + B-C \rightarrow A - C + B$$

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

$$A Y + B X \rightarrow B Y + A X$$

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

آب + نمک $$\rightarrow$$ باز + اسید

جرم مولی

برای بدست آوردن جرم مولی ترکیبات و مولکول‌ها، باید جرم اتمی آنها را در تعداد هر اتم ضرب کنید.

مثال

برای محاسبه جرم مولی $$H _ 2 O$$ به روش زیر عمل می‌کنیم:

$$= 2 \times (1.00794\; g/mol) + 1 \times (15.9994\; g/mol) = 18.01528\; g/mol$$ جرم مولی

تغییرات در معادلات استوکیومتری

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

چگالی

جرم = (حجم/جرم) × حجم

حجم = (جرم/حجم) × جرم

درصد جرمی

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 رابطه 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

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

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:

$$C _ x H _ y O _ z ( g ) + O _ 2 ( g ) \rightarrow C O _ 2 ( g ) + H _ 2 O (g)$$

از آنجایی که تمامی مول‌های C و H در $$C O _ 2$$ و $$H _ 2 O$$، از یک گرم نمونه ناشناخته بدست آمده‌اند، کار را با محاسبه تعداد مول هر عنصر در نمونه ناشناخته آغاز می‌کنیم:

(کربن در ماده ناشناخته) مول 0/0333 = ($$C O _ 2$$ مول 1 / $$C$$ مول 1) $$C O _ 2$$ مول 0/0333

(هیدروژن در ماده ناشناخته) مول 0/0665 = ($$H_2 O$$ مول ۱ / $$H$$ مول ۲)($$H_2 O$$ گرم 18/0152 / $$H_2 O$$ مول 1) $$H_2 O$$ گرم 0/5999

تعداد مول اکسیژن را با استفاده از مجموع مول اکسیژن در $$H_2 O$$ و $$C O _ 2$$ حساب کنید. با این کار تعداد مول اکسیژن در مولکول ناشناخته معلوم می‌شود و کافی است تا از میزان مول اکسیژن در $$O_2$$ آن را کم کنید.

تعداد مول اکسیژن در $$C O_2$$

مول اکسیژن 0/0666 = ($$C O_2$$ مول 1 / $$O$$ مول ۲) $$C O_2$$ مول 0/0333

تعداد مول اکسیژن در $$H _ 2 O$$

مول اکسیژن 0/0332 = ($$H _ 2 O$$ مول 1 / $$O$$ مول ۱)($$H _ 2 O$$ گرم 18/0152 /$$H _ 2 O$$ مول۱) $$H _ 2 O$$ 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 $$O _ 2$$ در واکنش استفاده کرد:

 $$C O _ 2$$ گرم 1/46 = ($$C O _ 2$$ مول ۱ / $$C O _ 2$$ گرم 44/0098) $$C O _ 2$$ مول 0/0333

$$O _ 2$$ گرم 1/065 = ماده آلی ناشناخته گرم 1000 - $$H _ 2 O$$ گرم 0/599 + $$C O _2$$ گرم 1/466

تعداد مول اکسیژن در $$O_2$$

مول اکسیژن 0/0666 = ($$O_2$$ مول ۱ / اکسیژن مول ۲)($$O_2$$ گرم 31/9988 / $$O_2$$ مول ۱) $$O_2$$ 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)

۱ مول اکسیژن، ۱ مول کربن و ۲ مول هیدروژن در مولکول آلی خواهیم داشت. بنابراین فرمول تجربی آن به صورت $$C H _ 2 O$$ خواهد بود.

تعیین فرمول مولکولی

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

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

مثال 1

در مثال قبل بیان شد که فرمول تجربی مولکول آلی به صورت $$C H _ 2 O$$ است. برای تعیین فرمول تجربی به صورت زیر عمل می‌کنیم:

• ابتدا جرم مولی فرمول تجربی را حساب کنید:

$$12.011(gr) C + (1.008 (gr) H) \times (2 H) + 15.999 (gr) O = 30.026 g/mol CH_2O$$

• 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:

$$CH_2O \times 4 = ? \ C\: 1 \times 4 = 4 \ H\: 2 \times 4 = 8 \ O\: 1 \times 4 = 4\ CH_2O \times 4 = C_4H_8O_4$$

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

$$C_4 H_8 O _4= 120.104 g/mol$$ جرم مولی محاسبه شده

$$120.056 g/mol$$ = جرم مولی اندازه‌گیری شده

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

$$\frac{| 120.104 g/mol - 120.056 g/mol |}{ 120.104 g/mol} \times 100$$ = درصد خطا

$$0.040$$ = درصد خطا

مثال ۲

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، $$H _ 2 (g)$$ و $$Fe ^ {2+} (aq)$$ در نظر می‌گیریم:

$$Fe_{( s )} + 2 H ^ + _{( a q )} \rightarrow H _{ 2 ( g )} + Fe^{2 +}_{( aq )}$$

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 $$1000 cm^3$$ = یک لیتر آلیاژ
• آلیاژ $$1.203 cm^3$$ = آلیاژ نمونه

در این قسمت به سوال مطرح شده پاسخ دهید. سوال از ما می‌خواهد که میزان گاز 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: