Kimyasal Reaksiyonlarda Kütle İlişkisi

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
1 12C atom
12,00 g
x
12,00 akb
6,022 x 1023 12C atom
1,66 x 10-24 g
=
1 akb
1 akb = 1,66 x 10-24 g veya 1 g = 6,022 x 1023 akb
M = mol kütlesi in g/mol
NA = Avogadro sayısı
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)
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.
16
72,5 g C3H8O de kaç H atomu vardır ?
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
17
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
18
ÖRNEK: Ca3(PO4)2’ın formül kütlesini hesaplayınız
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
19
BİLEŞİKLERİN YÜZDE BİLEŞİMİ
Bir element yada bileşiğin Yüzde bileşimi bir bileşikteki her
elementin ağırlıkça yüzdesine denir.
n x elementin mol kütlesi
Bileşiğin mol kütlesi
x 100%
ÖRNEK: 1 mol H2O2 (hidrojen peroksit) in % 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
20
ÖRNEK: Fosfat asidi (H3PO4) deterjan, gübre, diş macunu,
karbonatlı içeceklerde kullanılan bir bileşiktir. Bileşikteki
elementlerin % bileşimini hesaplayınız
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
21
YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER
2 x (12,01 g)
ÖRNEK
%C =
x 100% = 52,14%
46,07 g
6 x (1,008 g)
x 100% = 13,13%
46,07 g
1 x (16,00 g)
%O =
x 100% = 34,73%
46,07 g
%H =
C2H6O
52,14% + 13,13% + 34,73% = 100,0%
Aynı yöntemle işlemin tersini de yapabiliriz yani % bileşimi
bilinen bir bileşiğin ampirik (deneysel) formülü de bulunabilir.
22
YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER
ÖRNEK: Askorbik asit kütlece; % 40,92 C,
1
% 4,58 H, % 54,50 O içermektedir. Buna göre
maddenin deneysel formülünü bulunuz.
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
nC=
54,50 g
16,00 g
= 3,406 mol O
23
YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER
(3) Alt indisler rakamalrın 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.
(Askorbik asidin gerçek formülü ise C6H8O6 dır.)
24
YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER
Aşağıda kütlece % bileşimi verilen
bileşiğin ampirik formülünü bulunuz
% 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
25
YÜZDE BİLEŞİM ve AMPİRİK FORMÜLLER
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
26
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)
% Cu = (63,55 / 183,5) x 100 = % 34,63
Örnekteki Cu kütlesi = 0,3463 x 3,7.103 kg = 1,28.103 kg
27
KABA FORMÜLLERİN DENEYSEL BULUNMASI
Yukarıdakine benzer bir düzenek yardımıyla etanol yakılarak
yanma sonucu oluşan CO2 ve H2O düzenek yardımıyla
absorplanır. Oluşan CO2 ve H2O miktarı absorban kütlesindeki
artıştan bulunur.
28
Örneğin 11,5 gram etanolün yanması sonucu 22,0 g CO2 ve
13,5 g H2O açığa çıkmış ise:
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
29
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.
30
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 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.
31
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)
32
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
33
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 yerleştiriniz.
DOĞRU 2C2H6
YANLIŞ C4H12
34
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
35
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.
36
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
37
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.
38
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 g H2O
39
SINIRLAYAN MADDE
Reaksiyonda ilk tüketilen
maddeye “sınırlayan madde”
denir.
2NO + O2
2NO2
NO sınırlayan madde
O2 aşırı madde
Miktarı sınırlayan madde ile
Reaksiyon için gerekli olandan
fazla olan maddeye
“aşırı madde” denir
40
Bir reaksiyonda, 124 g Al 601 g Fe2O3 ile reaksiyona giriyor
2Al + Fe2O3
Al2O3 + 2Fe
0luşan Al2O3 miktarını hesaplayınız.
g Al
mol Al
mol Fe2O(gereken)
g Fe2O3(gereken
yada
g Fe2O3
124 g Al x
mol Fe2O3
1 mol Al
27.0 g Al
x
mol Al(gereken)
1 mol Fe2O3
2 mol Al
160. g Fe2O3
=
x
1 mol Fe2O3
g Al(gereken)
367 g Fe2O3
124 g Al için
367 g Fe2O3 gerekir
Daha fazla Fe2O3 (601 g) olduğundan Al sınırlayan reaktiftir.
41
Sınırlayan reaktifi kullanarak (Al) oluşan ürünü hesaplayınız
g Al
mol Al
mol Al2O3
2Al + Fe2O3
124 g Al x
1 mol Al
27.0 g Al
x
1 mol Al2O3
2 mol Al
g Al2O3
Al2O3 + 2Fe
102. g Al2O3
=
x
1 mol Al2O3
234 g Al2O3
Bu noktada, Al tamamen tükenir
Fe2O3 fazlası kalır.
42
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
43
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 gerçek verim ?
n TiCl4 = 3,54x107 / 189,7 = 1,87x105 mol
n Mg = 1,13x107 / 24,31 = 4,65x105 mol
1 mol TiO2 ~ 2 mol Mg
1,87x105 mol için 2x 1,87x105 mol=3,74x105 Mg yeterli
miktardan fazla olduğuna göre TiCl4 sınırlayan Mg aşırı
maddedir.
Oluşan Ti kütlesi = {(3,54x107g)/189,7} x 47,88 = 8,93x106 g
% verim = (7,91x106 / 8,93x106) x 100 = %88,6
44