REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin Mitä on kemia? Kemia on reaktioyhtälöitä, ja niiden tulkitsemista. Ollaan havaittu, että reaktioyhtälöt kertovat kemiallisen ilmiön. Miten hyödynnämme yhtälöstä saatavaa tietoa? Kemian laskuissa käytetään ainemäärien, kaasutilavuuksien tai massojen suhteita. Massojen suhteita laskettaessa pitää kuitenkin ottaa huomioon myös moolimassat kuten empiirisen kaavan määrittämisessä havaittiin. Laskutehtävissä ensin luodaan reaktioyhtälö. Sitten tasapainotetaan se. Tämän jälkeen lasketaan/määritetään rajoittava tekijä (lähtöaineista jokin). Lopuksi määritetään saanto eli saantoprosentti. Saantoa varten tarvitaan tieto ainemäärien suhteista. Teoreettinen saanto kertoo, kuinka paljon reaktiotuotteita muodostuu, jos reaktio etenee täydellisesti reaktioyhtälön mukaisesti. Tämä ei ole todellisuutta. AINA on hävikkiä, ilmankosteus/epäpuhtaudet vaikuttavat. Todellinen saanto on se määrä, joka punnitaan. Lisäksi usein ilmoitetaan tuotteen puhtausprosentti tai aste. Siis todellinen eli punnittu saanto saantoprosentti = 100% teoreettinen saanto Teoreettinen saanto lasketaan aina rajoittavan tekijän ainemäärästä! 1
Laskutehtävät Lähtöaineen A 1 massa m(a 1 ) Lähtöaineen A 2 massa m(a 2 ) x A 1 + y A 2 z B 1 + w B 2 Lähtöaineen A 3 konsentraatio c(a 3 ) Lasketaan massoja ja/tai konsentraatioita vastaavat ainemäärät Lähtöaineen A 4 konsentraatio c(a 4 ) n = m M n = c V Lopputuotteen B 1 massa m(b 1 ) Lopputuotteen B 2 konsentraatio c(b 2 ) Lähtöaineen A 1 ainemäärä n(a 1 ) Lähtöaineen A 2 ainemäärä n(a 2 ) m = n M Lähtöaineen A 3 ainemäärä n(a 3 ) Lähtöaineen A 4 ainemäärä n(a 4 ) c = n V Lopputuotteen B 1 ainemäärä n(b 1 ) Tarkastellaan tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimia ja määritetään reaktion rajoittava tekijä Lopputuotteen B 2 ainemäärä n(b 2 ) Esimerkki 1: Hydratsiinia N 2 H 4 käytetään rakettien polttoaineena. Kun se reaoi hapen kanssa, muodostuu typpikaasua ja vettä. a) Laadi tapahtumaa kuvaava reaktioyhtälö b) Kuinka monta rammaa happea kuluu, kun 150 hydratsiinia palaa. Palamisen reaktioyhtälö (kaasut 2-atomisia, kyseessä ei ole jalokaasuja): N 2 H 4 + O 2 N 2 + H 2 O. Vesi on höyrymuodossa. Tasapainotetaan, saadaan: N 2 H 4 + O 2 N 2 + 2 H 2 O. Tasapainotetusta reaktioyhtälöstä nähdään, että yhtä hydratsiini (N 2 H 4 ) n(o 2 ) moolia kohden kuluu yksi mooli happea (O 2 ) (teoreettisesti). Siis = 1. n(n 2 H 4 ) Lasketaan hydratsiinin ainemäärä, kun massa m N 2 H 4 = 150 ja moolimassa M N 2 H 4 = 2 14,01 + 4 1,008 = 32,052, n N 2 H 4 = m N 2H 4 M N 2 H 4 = 150 4,6798. 32,052 2
Näin ollen reaktiossa (palamisessa) kuluvan hapen massaksi saadaan m O 2 = n O 2 M O 2 = n N 2 H 4 32 4,6798 32 149,7566 150. Eli lähestulkoon yhtä paljon kuin hydratsiinia. Tämä on kohtuu selvää koska M O 2 = 32 32,052 = M N 2H 4. Rajoittava tekijä Tasapainotetusta reaktioyhtälöstä saadaan reaktioon osallistuvien aineiden ainemääräsuhteet. Jos on annettu vain yhden lähtöaineen ainemäärä (tai massa tai tilavuus + konsentraatio), niin tällöin ilman erillistä mainintaa oletetaan, että muita reaktioon osallistuvia aineita on ylimäärin reaktiotuotteiden ainemäärät lasketaan näin ollen annetun lähtöaineen ainemäärän kautta. Kun on annettuna useamman kuin yhden lähtöaineen ainemäärä, niin tällöin on laskettava mikä lähtöaine loppuu reaktiossa ensin. Tällaista lähtöainetta, joka loppuu ensin, kutsutaan reaktion rajoittavaksi tekijäksi. 3
Osa muista lähtöaineista jää tällöin reaoimatta. Rajoittavan tekijän määrittämisessä pitää laskea ensin kaikkien lähtöaineiden ainemäärät (kuinka monta moolia) ja sitten tarkastella tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimia ja päätellä näistä tiedoista mikä lähtöaine on reaktion rajoittava tekijä. 2H 2 + O 2 2H 2 O() 4 moolia H 2 ja 3 moolia O 2 happea O 2 ylimäärin Esimerkki 2: Polkupyörän valmistajalla on 5350 renasta, 3023 runkoa ja 2655 ohjaustankoa. a) Kuinka monta polkupyörää (normaalia) näistä osista voidaan koota? b) Mikä osista on rajoittava tekijä polkupyöriä koottaessa? c) Mitä osia ja kuinka monta jää yli, kun pyörät on koottu? Yhdessä polkupyörässä on yksi tanko, kaksi renasta ja yksi runko. Näin ollen a) 2655 b) Ohjaustanko on rajoittava tekijä. c) Runkoja jää 368 kpl ylimäärin ja renkaita 20 kpl ylimäärin. 4
Esimerkki 3: Astiassa on 1,5 moolia alumiinia ja 3,5 moolia kloorikaasua. a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö, kun alumiini ja kloori reaoivat keskenään muodostaen alumiinikloridia. b) Kumpi lähtöaine on reaktion rajoittava tekijä? c) Kuinka monta moolia toista lähtöainetta jää reaoimatta? d) Kuinka monta moolia alumiinikloridia muodostuu? a) Tasapainotettu reaktioyhtälö on: 2 Al s + 3 Cl 2 2 AlCl 3 s. b) Nyt tiedetään lähtöaineiden ainemääräsuhde, eli n(al) = 2, eli yhtä kloorimoolia Cl 2 kohti kuluu 0, 6 moolia alumiinia, Al. (Tai kolmea kloori-moolia n(cl 2 ) 3 kohden kuluu kaksi moolia alumiinia.) Huomioi perus matemaattinen verranto! Jos tiedetään, että alumiinia on 1,5 ja klooria 3,5, niin lasketaan, kumpi lähtöaine loppuu ensin. Tarvittava määrä klooria 1,5 moolille alumiinia on n Cl 2 = 3 n Al = 3 1,5 = 2,25. Klooria on kuitenkin 2 2 enemmän, joten sitä on ylimäärin eli alumiini on rajoittava tekijä. c) Klooria jää jäljelle 3,5 2,25 = 1,25. d) Lopputuotteen (tai lopputuotteiden) ainemäärät lasketaan rajoittavan tekijän ainemäärän ja tasapainotetun reaktioyhtälön kertoimien perusteella. Näin ollen alumiinikloridia syntyy n(al) n(alcl 3 ) = 2 2 = 1, n AlCl 3 = n Al = 1,5. Jäikö mieleen? 5