Polecamy

sobota, 03 grudnia 2011 20:26

Stechiometria reakcji

Oceń ten artykuł
(1 głos)
Wiele razy przychodzi nam policzyć ile potrzebowali byśmy "czegoś" by dodać do "czegoś" i żeby było dobrze, tzn. aby reakcja zaszła w całości. Gdy mieszamy np. nadmanganian potasu z siarką zastanawiamy się jakie były by najlepsze stosunki wagowe obu reagentów by reakcja zaszła z przereagowaniem całkowitym wszystkich substratów, by jeden z nich nie był w nadmiarze a co za tym idzie byśmy go nie zmarnowali. Sprawa jest banalnie prosta lecz nie każdy wie jak do sprawy podejść więc mam nadzieję, że ten artykuł wam to ułatwi zrozumieć.

Pierwszym etapem tego typu rozważań jest to byśmy ustalili co z czym będzie reagować. W naszych rozważaniach użyjemy już wcześniej wspomnianego przykładu nadmanganianu potasu (KMnO4) z siarką (S). Wiemy już co z czym będziemy mieszać. Drugim etapem jest napisanie odpowiedniego równania reakcji jaka ma zajść.

KMnO4 + S -> ... + ...

Tutaj niestety bez odpowiedniej wiedzy teoretycznej czy empirycznej się nie obejdzie. W reakcji nadmanganianu potasu z siarką powstaną trzy produkty, którymi są siarczan (IV) potasu (siarczyn potasu) - K2SO3, tlenek manganu (IV) - MnO2 i tlenek siarki (IV) - SO2. Można zapytać skąd siarczyn potasu... W reakcji powstanie tlenek potasu - K2O i tlenek siarki (IV) - SO2, które to utworzą wspomniany siarczyn potasu. W takim razie gdy już wiemy co powstanie piszemy równanie reakcji:

KMnO4 + S -> K2SO3 + MnO2 + SO2

Jak wiemy z prawa zachowania masy nic w przyrodzie nie ginie, a więc trzecią rzeczą jaką musimy zrobić jest uzgodnienie współczynników stechiometrycznych reakcji tak aby to co jest po lewej stronie równania było równe temu co po prawej stronie. W przypadku prostych równań najlepiej jest kombinować.
Według moich obliczeń równanie powinno wyglądać następująco:

4 KMnO4 + 3 S -> 2 K2SO3 + 4 MnO2 + SO2

W reakcji nie powstał wolny tlen ani nie pozostał żaden substrat tzn. że uzyskaliśmy zerowy bilans tlenowy i nie mamy nadmiaru żadnego z reagentów.

Czwartym krokiem jest ustalenie optymalnego składu masowego mieszaniny. Niestety reakcja zapisana jest molowo, tzn. że widzimy ile moli jednego substratu należy dodać do drugiego by reakcja zaszła według powyższego równania. Problemu łatwo można się pozbyć. Wystarczy policzyć masy molowe reagentów. Dla naszych rozważań będą nam potrzebne masy siarki i nadmanganianu potasu. Jeśli nie mamy odpowiednich tabel to można je policzyć sumując masy atomów wchodzących w skład związków. Dla naszych potrzeb wystarczą masy zaokrąglone do jedności:
  • MKMnO4 ≈ 39 + 55 + 4*16 = 158 g/mol
  • MS ≈ 32 g/mol
Gdy mamy już masy molowe łatwo przeliczyć potrzebną ilość substancji wg wzoru:

m = n · M
gdzie:
m - masa substancji
n - ilośc moli substancji
M - masa molowa substancji

Zatem potrzebujemy:
mKMnO4 = 4*158 = 632 g
mS=3*32 = 96 g
Jak widać nie jest to trudne. Jednak wyszły nam kosmiczne liczby (ponad pół kilo nadmanganianu). Najczęściej gdy zabieramy się za robienie czegokolwiek, robimy to w mniejszej ilości np. 100 g. Tutaj także skorzystamy z równania reakcji aby ułożyć proporcję. Przypuśćmy, że chcemy policzyć ile należy użyć siarki jeśli dysponujemy 150 g nadmanganianu. Z reakcji widzimy że potrzebujemy 4 mole nadmanganianu. Możemy tą ilość moli zastąpić odpowiadającą im masą czyli 632 g i ułożyć proporcję. Skoro na 632 g nadmanganianu potrzebujemy 96 g siarki to na nasze 150 g nadmanganianu potrzebujemy x g siarki.

632 - 96
150 - x
Mnożymy proporcję na krzyż:
632x = 150 · 96
Przenosimy 632 na drugą stronę rózwnania (dzielimy obydwie strony równania przez 632):
632x / 632 = (150 · 96) / 632
Skracamy:
x = (150 · 96) / 632
Korzystając z jakiegoś przyrządu liczącego obliczamy x ≈ 22,78      W przybliżeniu możemy powiedzieć, że mieszając 150 g nadmanganianu potasu z 23 g siarki uzyskamy całkowite przereagowanie i nie zmarnujemy żadnego z reagentów. Niestety tu wkrada się pewien haczyk, a mianowicie nasza mieszanka nie spala się w atmosferze gazu obojętnego, tylko w powietrzu, które zawiera dużo tlenu. Z tego powodu często tak obliczona mieszanka ma pewien niewielki nadmiar utleniacza - można więc zwiększyć tak obliczoną ilość paliwa o kilka procent.
Można również obliczyć procentowe proporcje substancji, co jest przydatne w przypadku podawania składów mieszanek pirotechnicznych - po prostu aby otrzymać ilości składników potrzebne na żądaną ilość mieszanki mnożymy żądaną masę przez procent składnika i w ten sposób otrzymujemy masę żądanego składnika (np. na 60 g prochu czarnego potrzebne jest 60 * (75% / 100%) = 45 g saletry). W tym celu dodajemy do siebie masy wszystkich substratów otrzymane z równania reakcji:
632 + 96 = 728
Przez tą wartość dzielimy masę jednego ze składników, a wynik mnożymy przez 100%:
(632 / 728) * 100% ≈ 86,8%
(96 / 728) * 100% ≈ 13,2%
Nasza mieszanka składa się zatem z 86,8% nadmanganianu potasu i 13,2% siarki.
Oczywiście dzięki równaniu reakcji możemy obliczyć ile produktu reakcji nam powstanie. W tym wypadku w proporcji nie będziemy używali mas czy moli substratów, lecz produktów reakcji. Załóżmy, że chcemy policzyć ile nam powstanie tlenku siarki(IV) jeśli użyjemy naszych 150 g nadmanganaianu potasu.
Potrzebna nam będzie oczywiście masa molowa SO2
MSO2 = 32 + 2*16 = 64 g
Widzimy że w reakcji powstanie 1 mol SO2, co odpowiada 64 g. Ilość powstałego tlenku obliczamy podobnej jak poprzednio proporcji:

632 - 64
150 - x
Rozwiązując proporcję jak poprzednio otrzymujemy x ≈ 15,19 g. Zatem ilość tlenku siarki(IV) powstałego w reakcji 150 g KMnO4 z siarką to 15,19 g. Aby obliczyć jaka to objętość, korzystamy z zasady, że 1 mol każdego gazu w warunkach normalnych zajmuje objętość około 22,4 l. Obliczamy liczbę moli SO2 i mnożymy ją przez 22,4 l:
(15,19 / 64) * 22,4 ≈ 5,32 l
Zatem produkt gazowy naszej reakcji zajmuje w warunkach normalnych objętość ok. 5,32 l. Podczas wybuchu tej mieszanki będzie to znacznie więcej, ponieważ produkt reakcji będzie miał temperaturę tysięcy stopni - a to zmienia jego objętość zgodnie z równaniem Clapeyrona
pV = nRT
gdzie p - to ciśnienie, V - objętość, n - liczba moli gazu, R - stała gazowa, a T - temperatura (ale ponieważ nie znamy większości z tych parametrów, to jest to dyskusja na inny artykuł).
I na koniec jeszcze jedna rzecz. Gdy rozważania prowadzimy dla reagentów będących roztworami to musimy uwzględnić ich rozcieńczenie. Wystarczy, że masę, którą wyliczymy z równania reakcji, podzielimy przez stężenie procentowe wyrażone w ułamku masowym. Ułamek masowy - to stężenie procentowe podzielone przez 100%. Jeśli np. w reakcji używamy kwasu solnego o stężeniu 36%, a z równania wyszło nam, że do reakcji potrzebujemy 25 g tego kwasu, to masę kwasu dzielimy przez jego ułamek masowy w roztworze czyli:

ms = 25 / 0,36
ms = 69,4 g
Zatem do reakcji musimy użyć ok. 69,5 g roztworu kwasu.
Dodatkowo gdy chcemy obliczyć jaką objętość będzie miała taka masa kwasu to masę wyliczoną powyżej dzielimy przez gęstość tego kwasu. Dla przykładu podanego wyżej czyli kwasu solnego 36% (HCL), jego gęstość wynosi d = 1,18 g/ml. Odpowiednie gęstości dla innych reagentów można znaleźć w tablicach chemicznych znajdujących się na Vortalu. Zatem wyliczona objętość kwasu to:

V = 69,5 / 1,18
V = 58,9 ml
Mówiąc krótko potrzebujemy ok. 59 ml kwasu. Tym zakończę niniejsze rozważania na temat stosunków stechiometrycznych substancji w reakcji.
Artykuł napisali
Tchemik i Tweenk
Czytany 5576 razy Ostatnio zmieniany niedziela, 04 grudnia 2011 18:24
Opublikowano w Chemia Ogólna - wszystkie

Inne przedmioty Użytkownika

Więcej w tej kategorii: « Pierwiastki promieniotwórcze NIEPODZIELNY - Ewolucja poglądów na budowę materii »
Zaloguj się, by skomentować
powrót na górę