3.Hafta KİMYASAL REAKSİYONLARDA KÜTLE İLİŞKİSİ Çıplak gözle görülebilen en küçük parçacıkta 1016 adet atom bulunur. Bu nedenle atom ağırlıkları oransal olarak ifade edilir. Atomlar ve Moleküller Mikro Dünya ATOM KÜTLESİ: Atomların kütlesi (ağırlığı) atomik kütle birimi (akb) cinsinden ifade edilir. 12C atomunun kütlesinin 1/12 si 1 “akb” olarak adlandırılır Kütle no (A) C atomunun Proton sayısı = 6 Atom no (Z) Nötron sayısı = 6 2 • C-12 nin atom kütlesinin 12 akb olarak kabul edilmesi diğer atomların kütlelerinin hesabında standart oluşturur. • Deneyler göstermiştir ki; 1 hidrojen atomunun kütlesi C atomunun %8,400 ü kadardır. • Bu durumda 1 C atomu 12 akb olduğuna göre 1 hidrojen atomu (8,400/100) 0,084x12 = 1,008 akb Bu skalaya göre: 1H = 1,008 akb 16O 56Fe = 56,000 akb = 16,00 akb 3 ORTALAMA ATOM KÜTLESİ: Bir elementin atom kütlesi doğal olarak bulunan izotoplarının ortalama kütlesidir. Karbonun iki farklı izotopu vardır: Karbon-12 ve Karbon13 bu iki izotopun doğada bulunma yüzdeleri de sırasıyla %98,90 ve %1,10 dur. Böylece Doğal Karbonun Ortalama Kütlesi = (0,9890)(12,00000 akb)+(0,0110)(13,00335) = 12,01 akb olarak bulunur 4 ÖRNEK: Eski zamanlardan beri bilinen Bakır (Cu) elektrik kablolarında ve madeni para yapımında kullanılır. Bilinen iki kararlı izotopu vardır. %69,09 (62,9300 akb) %30,91 (64,9278 akb) Bakırın Ortalama Atom Kütlesi: (0,6909)(62,93 akb)+(0,3091)(64,9278 akb) = 63,35 akb 5 Doğal olarak bulunan Li: 7.42% 6Li (6.015 akb) 92.58% 7Li (7.016 akb) Lityumun Ortalama Atom Kütlesi: (0,9258)(7,016)+(0,0742)(6,015) = 6,941 akb 6 Ortalama Atom Kütlesi (6,941) 7 BİR ELEMENTİN MOL KÜTLESİ VE AVAGADRO SAYISI • Atomlar çok küçük olduğundan tartılabilecak kadar atom çok fazla sayıda olmalıdır. • Belirli sayıdaki nesneleri ifade etmek için kullanılan özel ifadeler vardır; düzine ve çift gibi Düzine = 12 adet Çift = 2 adet Kimyada atom ve moleküllerin tanecik sayısını ifade etmek için kullanılan birim “mol” dür 8 MOL: SI sisteminde 12.00 gram 12C (karbon-12) izotopunun içerdiği atom sayısı kadar elementsel parçacığa (atom, molekül, iyon) 1 mol denir. 1 mol = NA = 6.0221367 x 1023 parçacıktır 6,02 x 1023 Avogadro Sayısı (NA) 1 mol 12C atom = 6,022 x 1023 atom = 12,00 g 1 12C atom = 12,00 akb Maddenin bir molünün kütlesine o elementin “molar kütlesi” denir. 12,00g karbon-12 = 6,22x1023 C-12 = 1mol C-12 9 Bir Mol S C Hg Cu Fe 10 Tek bir C-12 atomunun kütlesinin gr olarak hesaplanması: 1 mol 12C atom 1 12C atom x 6,022 x 1023 12C atom x 12.00 g 12C 1 mol 12C atom = 1,993 x 10-23 g 12C II.yol 1 mol 12C atomu 6,022 x 1023 atom 12C atom 1 atom x X = 1.661x10-24 1 mol 12C atomu 1.661x10-24 mol 12C atomu X = 1.993x10-23 mol 12C atomu 12.00 g 12C x g 12C 11 ÖRNEK: 0,551 g potasyumda (K) kaç atom vardır ? 1 mol K = 39,10 g K 1 mol K = 6,022 x 1023 atom K 1 mol K 6,022 x 1023 atom K 0,551 g K x x = 1 mol K 39,10 g K 8,49 x 1021 atom K 12 ÖRNEK: Endüstride,derin deniz dalma tanklarında ve balonlarda kullanılan bir gaz olan He’un 6,46 g’ı kaç moldür ? (He: 4,003 g/mol) 6,46 / 4,003 = 1,61 mol dür. ÖRNEK: Bir Cu-Zn alaşımı olan princin yapısında yer alan ve korozyonun önlenmesi amacıyla demir kaplamalarda kullanılan Zn’nun 0,356 molü kaç gramdır? (Zn: 65,39 g/mol) 0,356 x 65,39 = 23,3 g dır. ÖRNEK: Bir ametal olan ve asit yağmurlarının başlıca nedenini oluşturan kükürtün 16,3 gramında kaç atom vardır? (S: 32,07 g/mol) (16,3 / 32,07) x 6,02.1023 = 3,06.1023 S atomu vardır. 13 Molekül Kütlesi (veya molekülağırlığı) bir moleküldeki Atom kütlelerinin (akb) toplamıdır. 1S SO2 2O SO2 32.07 akb + 2 x 16.00 akb 64.07 akb Herhangi bir molekülde molekül kütlesi (akb) = molar kütlesi (gram) 1 molekül SO2 = 64.07 akb 1 mol SO2 = 64.07 g SO2 14 ÖRNEK: C vitamini olarak da bilinen askorbik asidin (C6H8O6) molekül kütlesini hesaplayınız. (C: 12,01 ; H: 1,008; O: 16,00) C6H8O6 in molekül kütlesi = 6x(12,01)+8x(1,008)+6x(16,00) = 176,12 akb Bir bileşiğin mol kütlesi onun molekül kütlesine eşit olduğundan 1 mol yani 6,02x1023 tane C6H8O6 molekülü 176,12 gramdır. ÖRNEK: Metan (CH4) doğal gazın başlıca bileşenidir. 6,07 g CH4 kaç moldür? (C:12,01 g/mol; H:1,008 g/mol) CH4 ün mol kütlesi 12,01+4x(1,008)=16,04 g 6,07 / 16,04 = 0,378 mol dür. 15 25,6 g ürede (NH2)2CO de kaç H atomu vardır ? (Ürenin mol kütlesi = 60,06 g dır) 1.yol 25,6 g üre 4mol H atom 6,022 x 1023 H atom 1 mol üre x x x = 1 mol üre 1 mol H atom 60,06 g üre 1,03 x 1024 atom H Aynı şekilde hesaplandığında 1 mol ürede: 1,03 x 1024 adet H atomu 5,15 x 1023 adet N atomu 2,58 x 1023 adet O atomu ve C atomu olduğu bulunur. veya 16 17 72,5 g C3H8O de kaç H atomu vardır? (H=1;C=12;O=16) 1 mol C3H8O = (3 x 12) + (8 x 1) + 16 = 60 g C3H8O 1 mol C3H8O molekülünde = 8 mol H atom 1 mol H = 6,022 x 1023 atom H içerir. 1 mol C3H8O 8 mol H atom 6,022 x 1023 H atom 72,5 g C3H8O x x x = 1 mol C3H8O 1 mol H atom 60 g C3H8O 5,82 x 1024 atom H 18 19 Formül kütlesi bir iyonik bileşikteki atomik kütlelerin (akb cinsinden) toplamıdır. 1Na NaCl 22,99 akb 1Cl + 35,45 akb NaCl 58,44 akb Herhangi bir iyonik bileşikte formül kütlesi (akb) = molar kütle (gram) 1 formül birim NaCl = 58,44 akb 1 mol NaCl = 58,44 g NaCl 20 ÖRNEK: Ca3(PO4)2’ın formül kütlesini hesaplayınız.(Ca=40.08; P=30.97;O=16.00) 1 formül birim Ca3(PO4)2 3 Ca 3 x 40,08 2P 2 x 30,97 8O + 8 x 16,00 310,18 akb 21 BİLEŞİKLERİN YÜZDE BİLEŞİMİ Kütlece % Bileşim ( Bil.molekül ağ.biliniyor ise) Bir element yada bileşiğin Yüzde bileşimi bir bileşikteki her elementin ağırlıkça yüzdesine denir. X elementinin %= n x elementin mol kütlesi Bileşiğin mol kütlesi x %100 ÖRNEK: 1 mol H2O2 (hidrojen peroksit) deki H ve O nin % bileşimini bulunuz. (H: 1,008; O: 16,00) 2 x (1,008 g) %H = x 100% = % 5,926 34,02 g 2 x (16,00 g) %O = x 100% = % 94,06 34,02 g % 5,926 + % 94,06 = % 99,99 22 ÖRNEK: Fosfat asidi (H3PO4) deterjan, gübre, diş macunu, karbonatlı içeceklerde kullanılan bir bileşiktir. Bileşikteki elementlerin % bileşimini hesaplayınız. (H=1,008;P=30,97;O=16,00) 3 x (1,008 g) %H= x 100% = % 3,86 97,99 g %P= 30,97 g 97,99 g %O= 4 x (16,00) x 100% = % 65,31 97,99 g x 100% = % 31,61 % 3,86 + % 31,61 + % 65,31 = % 100,01 23 YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER ÖRNEK Etanoldeki (C2H6O) C,O, ve H % lerini bulalım. (C=12,01;H=1,008;O=16,00) 2 x (12,01 g) %C = x 100% = 52,14% 46,07 g 6 x (1,008 g) %H = x 100% = 13,13% 46,07 g 1 x (16,00 g) %O = x 100% = 34,73% 46,07 g 52,14% + 13,13% + 34,73% = 100,0% Aynı yöntemle işlemin tersini de yapabiliriz yani % bileşimi bilinen bir bileşiğin ampirik (deneysel) formülü de bulunabilir. Dikkat edilmesi gereken şey ; Yüzdelerin toplamı 100 ettiğine göre başlangıçtaki molkül ağ. Ve formülü bilinmeyen bileşik 100 g olarak kabul edilir. 24 YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER ÖRNEK: Askorbik asit kütlece; % 40,92 C, % 4,58 H, % 54,50 O içermektedir. Buna göre maddenin deneysel formülünü bulunuz. (C=12,01;H=1,008;O=16,00) 1 2 (1) Başlangıçtaki askorbik asit 100 g olarak kabul edilirse, bileşikte 40,92 g C, 4,58 g H ve 54,50 g O var demektir. (2) Her bir elementin kütlesi atom kütlesine bölünerek mol sayıları bulunur. 3 4 nC= 40,92 g 12,01 = 3,407 mol C nH= 4,58 g 1,008 = 4,54 mol H nO= 54,50 g 16,00 g = 3,406 mol O 25 (3) Alt indisler rakamların en küçüğüne bölünür. C: (3,407 / 3,406) = 1 H: (4,54 / 3,406) = 1,33 O: 3,406 / 3,406 = 1 (4) Alt indislerin tam sayı olması gerektiği unutulmamalıdır. Bu nedenle 1,33 ü tam sayıya çevirmeliyiz. (1,33x3=3,99) olacağından formüldeki diğer alt indisler de 3 ile çarpılmalıdır. SONUÇ: C3H4O3 olacaktır.(Ampirik formül bulundu) (Askorbik asidin gerçek formülü ise C6H8O6 dır.) 26 YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER Aşağıda kütlece % bileşimi verilen bileşiğin ampirik formülünü bulunuz(K=39,10;Mn=54,94;O=16,00) % K 24,75, % Mn 34,77, % O 40,51 1 mol K nK = 24,75 g K x = 0,6330 mol K 39,10 g K nMn= 34,77 g Mn x 1 mol Mn = 0,6329 mol Mn 54,94 g Mn nO = 40,51 g O x 1 mol O = 2,532 mol O 16,00 g O 27 nK = 0,6330, nMn = 0,6329, nO = 2,532 0,6330 ~ K: ~ 1.0 0,6329 0,6329 = 1.0 Mn : 0,6329 2,532 ~ O: ~ 4.0 0,6329 KMnO4 28 YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER Bir maddedeki elementin kütlece % bileşimi biliniyorsa bir bileşiğin belirli kütlesindeki bir elementin gerçek kütlesi de bulunabilir. ÖRNEK: Kalkoprit (CuFeS2) başlıca bakır cevheridir. 3,7 ton kalkopritteki Cu miktarını kg olarak hesaplayınız. (Cu: 63,55; CuFeS2: 183,5) 29 KABA FORMÜLLERİN DENEYSEL BULUNMASI Eğer etanolun förmülünü bilmediğimizi düşünürsek Yukarıdakine benzer bir düzenek yardımıyla etanol yakılarak yanma sonucu oluşan CO2 ve H2O miktarı ile etanolun förmülünü bulabiliriz.. Oluşan CO2 ve H2O miktarı absorban kütlesindeki artıştan bulunur. Etanolun kaba förmülünü bu şekilde bulabiliriz 30 Örneğin 11,5 gram etanolün yanması sonucu 22,0 g CO2 ve 13,5 g H2O açığa çıkmış ise: Etanolun ampirik förmülünü (CHO)n şeklinde yazabiliriz C nun kütlesini oluşan CO2 den bulabiliriz H nin kütlesini ise H2O dan bulabiliriz C kütlesi = (22,0 / 44,01) x 12,01 = 6,0 g C 0,5 mol CO2 1 mol CO2 = 1 mol C H kütlesi = {(13,5 / 18,02) } x 2 x 1,008 = 1,5 g H 1 mol H2O = 2 mol H 0,75 mol H2O için 1,5 mol H Bileşik kütlesinden arda kalan O den gelmelidir. O halde O kütlesi = 11,5 – (6,0 + 1,5) = 4,0 g 31 32 Bileşikte 4,0 / 16,0 = 0,25 mol O vardır. Bileşikteki elementlerin mol oranlarını bulmak için elde edilen mol sayıları en küçük değer olan 0,25 e bölünür. C= (0,5 / 0,25)= 2 H= (1,5 / 0,25) = 6 O= (0,25 / 0,25) = 1 Bileşiğin ampirik (deneysel, kaba) formülü C2H6O olarak bulunur. Bileşiğin gerçek yani “moleküler formülü”nü saptamak için bileşiğin yaklaşık mol kütlesine ihtiyaç vardır. 33 ÖRNEK: Azot (N) ve oksijen (O) den oluşan bir bileşik, 1,52 g N ve 3,47 g O içermektedir. Bu maddenin mol kütlesi 90 g ile 95 g arasındadır. Bu maddenin molekül formülünü ve mol ağırlığını bulunuz.(N=14,01;O=16,00) n N=(1,52 / 14,01) = 0,108 mol n O=(3,47 / 16,00) = 0,217 mol 0,108 / 0,108 = 1; 0,217 / 0,108 = 2,009 ve bileşiğin ampirik formülü NO2 dir. Bileşiğin kaba mol kütlesi = 14,01 + 2x(16,00) = 46,02 Olacağından 95 / 46,02 = 2,1 dir ve bileşiğin gerçek formülü N2O4 tür. 34 KİMYASAL REAKSİYONLAR ve KİMYASAL DENKLEMLER Bir maddenin (veya maddelerin) bir veya daha fazla yeni maddeye dönüşmesine “kimyasal reaksiyon” adı verilir. Bu reaksiyonun kimyasal simgeler ve katsayıları ile ifade dilmesine ise “kimyasal denklem” denir. reaktifler ürünler (girdiler) 35 Bir kimyasal denklem mutlaka denk olmalıdır. Yani her tür atomdan ok işaretin her iki tarafında da aynı sayıda olmalıdır. 2 H2 (g) + O2 (g) H2O (s) Bir kimyasal denklemin anlamı: 2 H2 + O2 2 H2O İki molekül + bir molekül 2 molekül 2 mol + 1 mol 1 mol 2x(2,02)=4,04 g + 32 g 2x(18,02)=36,04 g Reaktifler Σ 36,04 g Ürünler Σ 36,04 g 36 KİMYASAL DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ 1. Tüm reaktif ve ürünler saptanıp ok işaretinin her iki tarafına doğru olarak yazılır. Etan oksijen ile reaksiyona girerek karbondioksit ve su oluşturur. C2H6 + O2 CO2 + H2O 2. Formüllerin önündeki sayıları (katsayı) ok işaretinin her iki tarafındaki atom sayıları aynı olacak şekilde yerleştirilir. 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 37 KİMYASAL DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ 3. Önce denklemin her iki tarafında bir kez görülen elementten başlanır. C2H6 + O2 2 karbon solda C2H6 + O2 6 hidrojen solda C2H6 + O2 Denklemi denkleştirmeye CO2 + H2O O ile değil C veya H ile başlanır 1 karbon sağda CO2 2 ile çarpılır 2CO2 + H2O 2 hidrojen sağda 2CO2 + 3H2O H2O 3 ile çarpılır 38 KİMYASAL DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ 4. Denklemin her iki tarafında birden çok görülen elementler denkleştirilir. C2H6 + O2 2 oksijen solda 2CO2 + 3H2O O2 7 2 İle çarpılır 4 oksijen + 3 oksijen = 7 oksijen (3x1) sağda (2x2) C2H6 + 7 O2 2 2CO2 + 3H2O 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O Denklemin her iki tarafı 2 ile çarpılıp bölümden kurtulunur. 39 KİMYASAL DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ 5. Denklem kontrol edilerek her iki taraftaki tüm elementlerin sayılarının eşit olduğundan emin olunur. 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 4 C (2 x 2) 4C 12 H (2 x 6) 12 H (6 x 2) 14 O (7 x 2) 14 O (4 x 2 + 6) Reaktifler 4C 12 H 14 O Ürünler 4C 12 H 14 O 40 REAKTİF ve ÜRÜNLERİN MİKTARLARI 1. Denkleştirilmiş kimyasal reaksiyonlar yazılır. 2. Miktarı bilinen maddeler mole çevrilir. 3. Problemde aranan veya bilinmeyen miktarların mol sayılarının hesaplanması için denkleştirilmiş denklemdeki katsayılar kullanılır. 4. Hesaplanmış mol sayıları ve mol kütleleri kullanılarak bilinmeyenlerin miktarı istenilen birime çevriilir. 5. Cevap kontrol edilir. 41 ÖRNEK: Metanol aşağıdaki denkleme göre yanıyor 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Yanma reaksiyonu için 209 g metanol kullanılırsa kaç gram su oluşur? gram CH3OH 209 g CH3OH x Mol CH3OH Mol H2O Gram H2O 4 mol H2O 18.0 g H2O 1 mol CH3OH = x x 32.0 g CH3OH 2 mol CH3OH 1 mol H2O 6,53 mol CH3OH 2 mol CH3OH den 4 mol H2O oluşur 235,125 g H2O 42 2.Yol 2x32,0 g CH3OH 4x18.0 g H2O oluşuyorsa 209 g CH3OH X _____________________________________ X= 235,125 g H2O oluşur 43 SINIRLAYAN MADDE Reaksiyonda ilk tüketilen maddeye “sınırlayan madde” denir. 2NO + O2 2NO2 NO sınırlayan madde O2 aşırı madde (sağdaki şekle göre) Miktarı sınırlayan madde ile Reaksiyon için gerekli olandan fazla olan maddeye “aşırı madde” denir Oluşan ürün miktarını “sınırlayıcı Madde”belirler 44 Aşağıdaki reaksiyonda, 124 g Al, 601 g Fe2O3 ile reaksiyona giriyor 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe a) Sınırlayıcı reaktifi bulunuz. b) 0luşan Al2O3 miktarını(gr) hesaplayınız. c) Artan aşırı madde miktarını (gr) bulun a ) 2 mol Al≡ 1 mol Fe2O3≡ 1 mol Al2O3≡ 2 mol Fe Aln = 124/27.0= 4,59 mol Al Fe2O3n = 601/160.0 = 3,75 mol Fe2O3 4,59 mol Al≡ 2,29 mol Fe2O3 olmalıydı (halbuki 3,75 mol var) Bu durumda Fe2O3 aşırı madde Al sınırlayıcı madde 45 Oluşan Al2O3 ; Al miktarına göre bulunur. b) 2 mol Al≡ 1 mol Al2O3 4,59mol Al≡ X X= 2,295 mol Al2O3 2,295x 102.0= 234.0 g Al2O3 c) 3,75-2,29=1,46 mol Fe2O3 1,46x 160,0= 233.6 g 46 Örn: Üre [( NH2)2CO] nın elde edilme reax aşağıdaki gibidir; 2 NH3 (g)+CO2→ ( NH2)2CO(aq)+ H2O(s) Bu proseste 637.2 g NH3 ve 1142 g CO2 reax giriyor a)2 reaktif maddeden hangisi sınırlayıcıdır b)Oluşan ürenin kütlesini bulunuz. c)Reax sonunda ne kadar aşırı madde (g olarak) kalır (NH3=17.03 g/mol CO2= 44.01 g/mol) a)Verilen miktarlar mol’e çevrilir nNH3= 637.2/17.03= 37.42 mol NH3 n CO2= 1142/44,01= 25.95 mol CO2 2 mol NH3≡ 1 mol CO2 ≡ 1 mol üre 37.42 mol NH3 ≡ 18.71 mol CO2 olmalıydı(bizde 25.95 mol var) Bu durumda NH3 sınırlayıcı madde 47 CO2 aşırı maddedir b) Oluşan ürün miktarını sınırlayıcı madde belirlediği için NH3 miktarına göre bulunur. 2 mol NH3 ≡ 1 mol üre (üre= 60.06 g/mol) 37.42 “ ≡ 18.71 mol üre 18.71x 60.06= 1124 g üre oluşur c) 25.95-18.71= 7.24 mol CO2 reaxna girmeden kalır 7.24x44.01= 318.6 g 48 REAKSİYON VERİMİ Teorik verim: Bir reaksiyonda sınırlayan maddenin tamamının reaksiyona girmesi sonucu oluşan ürün miktarına teorik verim denir. Gerçek verim: Pratikte gerçek verim bir tepkimede gerçek olarak Elde edilebilir ürün miktarıdır. % Verim = Gerçek verim x 100% Teorik verim 49 TiCl4 (g) + 2 Mg (s) Ti (k) + 2 MgCl2 Reaksiyonu gereği bir işlemde 3,54x107 g TiCl4 ile 1,1x107 g Mg’un reaksiyonu sonucunda (a)Ti için teorik verim ? (b) gerçekte 7,91x106 g Ti elde edildiğine göre % verim ? a) n TiCl4 = 3,54x107 / 189,7 = 1,87x105 mol TiCl4 n Mg = 1,13x107 / 24,31 = 4,65x105 mol Mg 1 mol TiO2 ≡ 2 mol Mg 1,87x105 mol ≡ 2x 1,87x105 mol=3,74x105 Mg olmalıydı (halbuki 4,65x105 mol Mg var) miktardan fazla olduğuna göre TiCl4 sınırlayan, Mg aşırı maddedir. Ti miktarı,TiCl4 sınırlayan maddeye göre bulunur. 50 Oluşan Ti kütlesi = 189,7g TiCl4 47,88 g Ti 3,54x107 g TiCl4 X ________________________________ X= 8,93x106 g b) Gerçek verim x 100% % Verim = Teorik verim % verim = (7,91x106 / 8,93x106) x 100 = %88,6 51 Ödev: Vanadyum metalinin elde edilme reax şöyledir: 5 Ca+ V2O5→ 5 CaO + 2 V Bir işlemde 1.54x 103 g V2O5 ile 1.96x 103 g Ca reax giriyorsa a) V’nin teorik verimi b) Eğer 803 g V elde edilirse % verim ne olur? (V= 50.94, Ca= 40, O= 16) 52