Reaktiosarjat

Reaktiosarjat Usein haluttua tuotetta ei saada syntymään yhden kemiallisen reaktion lopputuotteena, vaan monen peräkkäisten reaktioiden kautta Tällöin edellisen reaktion lopputuote on seuraavan lähtöaine Määritelmä: Reaktiosarjalla tarkoitetaan kemiallista prosessia, jossa lähtöaineista valmistetaan, useamman kuin yhden, peräkkäisen reaktion kautta haluttu(j)a lopputuotetta tai tuotteita Tällöin edellisen reaktion lopputuote on seuraavan reaktion lähtöaine Esimerkiksi typpihapon HNO 3 valmistus ammoniakista NH 3 ja hapesta O 2 (Ostwaldin prosessi): N 2 g + 3 H 2 g 2 NH 3 g Haber Bosch 4 NH 3 g + 5 O 2 g 4 NO g + 6 H 2 O g 2 NO g + O 2 g 2 NO 2 g 3 NO 2 g + H 2 O l 2 HNO 3 aq + NO g Typpihapon HNO 3 käyttö: lannoitus ja räjähteet Myös lääkeaineet vaativat jopa kymmeniä erillisiä reaktioita Platinakatalyytti NO kiertoon HNO 3 Huomaa, että kun on useampi reaktioyhtälö lähtöaineista lopputuotteisiin, niin saantolaskut suoritetaan aina ainemäärien kautta, pelkistä kertoimista tai reaktioyhtälöstä ei voi sanoa esimerkiksi mikä lähtöaine on reaktion rajoittava tekijä 1

Reaktiosarjatehtäviä ratkaistaessa voidaan toimia kahdella tavalla: Tapa 1: Kukin reaktioyhtälö tasapainotetaan erikseen Tämän jälkeen reaktioyhtälöitä kerrotaan tai jaetaan siten, että se reaktiotuote, jota tarvitaan reaktiosarjan seuraavassa vaiheessa lähtöaineena, voidaan vähentää puolittain pois Näin saadut reaktioyhtälöt lasketaan allekkain yhteen kokonaisreaktion reaktioyhtälöksi ja vähennetään reaktioyhtälöiden yhteinen aine puolittain pois Tätä reaktioyhtälöä käytetään lopulta kysyttyjen aineiden ainemäärien vertailuun Tapa 2: Kukin reaktioyhtälö tasapainotetaan erikseen Tämän jälkeen tarkastellaan kysytyn reaktiotuotteen edessä olevaa kerrointa viimeisestä reaktioyhtälöstä Tutkitaan reaktio reaktiolta lopusta alkuun päin, mitä edellisen reaktion reaktiotuotetta tarvitaan seuraavan reaktion lähtöaineena kysytyn aineen valmistamiseksi Täsmätään näiden aineiden kertoimet joko jakamalla tai kertomalla reaktioyhtälöitä siten, että kerroin tälle yhteiselle aineelle tulee peräkkäisiin reaktioihin samaksi Näin päädytään ratkaistavaan lähtöaineen ja reaktiotuotteen ainemäärien suhteeseen Tapa 1 ehkäpä helpompi mieltää näin aluksi Esimerkki 3: Lyijyn valmistus lyijy(ii)sulfidista PbS perustuu seuraavaan reaktiosarjaan (ei tasapainotettuja reaktioyhtälöitä): PbS s + O 2 g PbO s + SO 2 g PbO s + C s Pb l + CO g Laske, kuinka monta kilogrammaa lyijyä voidaan valmistaa 100,0 kg:sta lyijy(ii)sulfidia Ratkaisu, TAPA 1: Kirjoitetaan ensin reaktioyhtälöt: PbS s + O 2 g PbO s + SO 2 g, PbO s + C s Pb l + CO g jotka tasapainotettuina ovat: 2 PbS s + 3 O 2 g 2 PbO s + 2 SO 2 g PbO s + C s Pb l + CO g Havaitaan, että ylemmän reaktion lopputuotetta, eli reaktiosarjan välituotetta PbO s, on kaksi moolia ja alemmassa reaktiossa lyijyoksidia PbO s on lähtöaineena vain yksi mooli Kerrotaan alempi tasapainotettu reaktioyhtälö kahdella (ei tehdä mitään väärää, suhteet pysyvät samana) 2 PbS s + 3 O 2 g 2 PbO s + 2 SO 2 g 2 PbO s + 2 C s 2 Pb l + 2 CO g 2

Vähennetään nyt emmista reaktioyhtälöistä puolittain välituote lyijyoksidi ja yhdistetään yhtälöt niin, että lähtöaineet tulevat vasemmalle ja lopputuotteet oikealle puolelle, saadaan kokonaisreaktion reaktioyhtälö : 2 PbS s + 3 O 2 g + 2 C s 2 SO 2 g + 2 Pb l + 2 CO g Tästä tasapainotetusta kokonaisreaktioyhtälöstä voidaan laskea ainemääräsuhteita esimerkiksi puhtaan lyijyn Pb l ja lyijysulfidin PbS s kesken n Pb n PbS = 2 2 = 1, joten yhtä moolia lyijysulfidia kohden muodostuu yksi mooli lyijyä Lasketaan vielä kysytty lyijyn massa: koska m PbS = 100,0 kg, M PbS = 239,27 g/, M Pb = 207,2 g/, niin lyijysulfidin ainemäärä m PbS 1 000 000 g n PbS = = = 417,938, M PbS 239,27 g/ joten n Pb = n PbS = 417,938 Lyijyn massaksi saadaan m Pb = n Pb M Pb = 417,938 207,2 g/ = 86 596,8 g 86,60 kg Seoslaskut Kemiallinen reaktio voi tapahtua myös useamman aineen seoksessa, jolloin aineet reagoivat toisista riippumatta Kaikki tapahtuvat reaktiot kirjoitetaan erikseen ja laskennallisesti niitä käsitellään erillisinä reaktioina Reaktioyhtälöitä ei lasketa yhteen Huomaa ero reaktiosarjoihin Seoslaskut ovat matemaattisessa mielessä yhtälöparin ratkaisemista (Älä sekoita seoslaskuja titrauslaskuihin, joissa aineiden välisiä vaikutuksia on, esim ph vaikuttaa, vahva happo/emäs titrautuu ensin tai polyproottisten happojen reaktiot Esimerkiksi H 3 PO 4 = fosforihappo on polyproottinen eli moniarvoinen) 3

Esimerkki 4: Metalliseoksen sinkki ja alumiini reagoi rikkihapon kanssa vapauttaen vetykaasua Metalliseoksen 1 gramman näyte tuotti 1 litran vetykaasua Mittausten mukaan kaasun paine oli 1,05 baaria ja lämpötila 30 celsius-astetta Paljonko oli alumiinia seoksessa (grammoina)? Ratkaisu: Kirjoitetaan ensin tasapainotetut reaktioyhtälöt: 1, 2 Al s + 3 H 2 SO 4 aq Al 2 SO 4 3 aq + 3 H 2 g 2, Zn s + H 2 SO 4 aq ZnSO 4 aq + H 2 g Vapautuneen vedyn ainemäärä saadaan kaasujen yleisestä tilanyhtälöstä: n = pv 1,05 bar 1 l n H RT 2 = 0,0831451 bar l 0,0416576 K 30 + 273,15 K Jos alumiinin massa merkitään kirjaimella (eli muuttujalla) m Al = x, niin tällöin sinkin massa on kokonaismassa miinus alumiinin massa, eli m Zn = 1 x Nyt metallien ainemäärät voidaan moolimassojen kautta kirjoittaa muotoon: n Al = m Al M Al x g = g 26,98 ja n Zn = m Zn M Zn (1 x) g = g 65,41 Reaktioyhtälöstä (1), saadaan n(h 2) = 3, josta vedyn ainemääräksi tulee n(al) 2 n H 2 = n Al 3 2 = x g g 3 26,98 2 Vastaavasti reaktioyhtälöstä (2) saadaan n(h 2) = 1, josta vedyn ainemääräksi n(zn) 1 tulee n H 2 = n Zn = (1 x) g g 65,41 Yhdistetään tiedot, jolloin vedyn ainemääräksi kokonaisuudessaan tulee (muista erilliset reaktiot!): x g n H 2 = 26,98 g 3 2 + 1 x g g 65,41 x 0,055 + 0,015 x 0,015 x 0,055 0,015 + 0,015 Tämä pitää vastata kaasujen yleisestä tilanyhtälöstä saatua vedyn ainemäärää n H 2 0,0416576, siis n H 2 0,0416576 x 0,055 0,015 =0,040308 + 0,015, 4

josta muuttuja x saadaan ratkaistua: 0,0416576 0,015 x 0,65419104 g, 0,040308 eli noin 0,65 grammaa alumiinia ja noin 0,35 grammaa sinkkiä Esimerkki 5: Kun 10,0 cm 3 etaania ja propaania sisältävää kaasuseosta poltettiin täydellisesti, muodostui 27,4 cm 3 hiilidioksidia Laske alkuperäisen kaasuseoksen tilavuusprosenttinen koostumus Kuinka suuri ainemäärä happea polttoon kului? Tilavuudet on ilmoitettu NTP:ssä (YO kevät 1987) Ratkaisu: Annettujen tietojen perusteella voidaan kirjoittaa: V etaani + V propaani = 10,0 cm 3, V CO 2 = 27,4 cm 3 Kirjoitetaan erikseen tasapainotetut reaktioyhtälöt etaanin ja propaanin palamisreaktioille: 1, 2 C 2 H 6 g + 7 O 2 aq 4 CO 2 g + 6 H 2 O g 2, C 3 H 8 g + 5 O 2 aq 3 CO 2 g + 4 H 2 O g Palamisreaktioiden kertoimien mukaan n CO 2 V etaani = 4 2, josta n CO 2 = 2 n etaani n CO 2 V propaani = 3 1, josta n CO 2 = 3 n propaani Koska samoissa olosuhteissa kaasujen ainemäärien suhde vastaa kaasujen tilavuuksien suhdetta, voidaan ainemäärien verranto kirjoittaa tilavuuksien verrannoksi, eli V CO 2 = 2 V etaani ja V CO 2 = 3 V propaani Hiilidioksidin kokonaistilavuus tunnetaan, joten 27,4 cm 3 = 2 V etaani + 3 V propaani Muodostuu yhtälöpari, ratkaistaan se V etaani + V propaani = 10,0 cm 3 2 V etaani + 3 V propaani = 27,4 cm 3 V etaani = 2,6 cm 3, V propaani = 7,4 cm 3 5

Seoksen tilavuusprosenttinen koostumus on siten til % etaani 2,6 cm3 = 100 % = 26,0 % 10,0 cm3 til % propaani 7,4 cm3 = 100 % = 74,0 % 10,0 cm3 Lopuksi, reaktioyhtälön kertoimien mukaan n O 2 n etaani = 7 2, josta n O 2 = 3,5 n etaani n O 2 n propaani = 5 1, josta n O 2 = 5 n propaani Koska samoissa olosuhteissa kaasujen ainemäärien suhde vastaa kaasujen tilavuuksien suhdetta, saadaan hapen tilavuudeksi V O 2 = 3,5 n etaani + 5 n propaani = 3,5 2,6 cm 3 + 5 7,4 cm 3 = 46,1 cm 3, Jota vastaava ainemäärä NTP-oloissa on n O 2 = V O 2 0,0461 dm3 = = 0,0020571 2,06 m V m 22,41 dm3 6