4.8 Sljedeća jedinica Ponavljanje i usustavljivanje gradiva o osnovama kemijskog računa
4.7

Stehiometrija kemijskih reakcija

Moći ću:
  • odrediti vrijednosti stehiometrijskih koeficijenata reaktanata i produkata u kemijskoj jednadžbi
  • iz jednadžbe kemijske reakcije uočiti da je odnos množina jednak odnosu stehiometrijskih brojeva u jednadžbi
  • objasniti odnos mjerodavnog reaktanta i reaktanta u suvišku
  • objasniti pojam dosega kemijske reakcije

Uvod

Stehiometrija se bavi odnosima između množina tvari
koje sudjeluju u kemijskoj reakciji.
Napredovanjem kemijske reakcije smanjuju se
množine reaktanata, a povećavaju množine produkata.

Navedene množine odnose se kao
omjeri broja jedinki reaktanata i produkata u jediničnoj reakcijskoj pretvorbi.

Uvod

Stehiometrija kemijskih reakcija temelji se na odnosima između množina tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji. Napredovanjem kemijske reakcije smanjuju se množine reaktanata, a povećavaju množine produkata. Navedene se množine odnose kao omjeri broja jedinki reaktanata i produkata u jediničnoj reakcijskoj pretvorbi.

Riješeni primjer 1

Izračunajte volumen kisika koji nastaje termičkim razlaganjem 7,50 g kalijeva klorata pri normalnim uvjetima. Termičkim razlaganjem kalijeva klorata osim kisika nastaje i kalijev klorid.

Zadano je:

m(\ce{KClO3}) = \pu{7,50 g}

t = \pu{0 ^oC}

p = \pu{101325 Pa}

Traži se:

V(\ce{O2}) = ?

Postupak:

Korak 1

Jednadžba kemijske reakcije termičkog razlaganja kalijeva klorata:

\ce{2KClO3(s) -> 2KCl(s) + 3O2(g)}

Iz jednadžbe kemijske reakcije može se odrediti omjer množine kisika koji u reakciji nastaje i množine kalijeva klorata koji se u reakciji utrošio:

n(\ce{O2}) : n(\ce{KClO3}) = 3:2

Iz dobivenoga omjera može se izračunati množina kisika razvijenog u reakciji:

2n(\ce{O2}) = 3n(\ce{KClO3})

n(\ce{O2}) = \dfrac{3}{2}n(\ce{KClO3})

n(\ce{O2}) = \dfrac{3}{2}\cdot\dfrac{m(\ce{KClO3})}{M(\ce{KClO3})}

n(\ce{O2}) = \dfrac{3}{2}\cdot\dfrac{\pu{7,50 g}}{\pu{122,55 g mol-1}}

n(\ce{O2}) = \pu{0,0918 mol}

Korak 2

Volumen kisika pri normalnim uvjetima je:


V(\ce{O2}) = n(\ce{O2}) \cdot V_{\textrm{m}}

V(\ce{O2}) = \pu{0,0918 mol}\cdot\pu{22,4 dm3 mol-1}

V(\ce{O2}) = \pu{2,06 dm3}

Odgovor:

Volumen kisika pri normalnim uvjetima koji nastaje termičkim razlaganjem \pu{7,50 g} kalijeva klorata  je \pu{2,06 dm3} .

Izračunajte volumen vodika koji se može razviti pri normalnim uvjetima u reakciji granula cinka mase 4,30 g s razrijeđenom klorovodičnom kiselinom u suvišku.

Napišite jednadžbu kemijske reakcije služeći se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

Rješenje:


\ce{Zn(s) + 2HCl(aq) -> ZnCl2(aq) + H2(g)}

V(\ce{H2}) = 1,47 dm3

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Reakcijom 2,50 g aluminija s razrijeđenom klorovodičnom kiselinom u suvišku nastaju aluminijev klorid i vodik.

Izračunajte volumen vodika koji se razvije u toj reakciji:
a) pri normalnim uvjetima
b) pri temperaturi od 22 °C i tlaku 99,5 kPa.

Rješenje:

Volumen vodika pri:

a) normalnim uvjetima je
dm3
b) pri 22 °C i 99,5 kPa je
dm3.
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Toplinsko razdvajanje amonijevog dikromata

Razlaganje amonijeva dikromata kemijska je reakcija kojom nastaju kromov(III) oksid, dušik i vodena para.

Jednadžba kemijske reakcije je:

\ce{(NH4)2Cr2O7(s) -> Cr2O3(s) + N2(g) + 4H2O(g)}

 

Dopunite rečenice odgovarajućim pojmovima:

a) Reakcijom se
toplina, zbog čega je reakcija
.
Budući da nije moguća reakcija u suprotnome smjeru, reakcija je
.
Navedena kemijska reakcija je
(analiza/sinteza).

 
b) Izračunajte masu amonijeva dikromata koja će razlaganjem razviti 5000 cm3 plinova (dušika i vodene pare) pri normalnim uvjetima.

m((NH4)2Cr2O7) =
g
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Izračunajte ukupan volumen plinova u litrama pri temperaturi od 600 °C
i tlaku od 1 atm (101 325 Pa) koji nastaje termičkom
razgradnjom 16,00 g amonijeva nitrata, \ce{NH4NO3} .

Jednadžba kemijske reakcije:

\ce{2NH4NO3(s) -> 2N2(g) + O2(g) + 4H2O(g)}

 

Rješenje:

Ukupan volumen plinova, Vuk =
L.
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Zagrijavanjem 28,12 g hidratne soli \ce{MgSO_4 \cdot {xH_2O}} nastaje 13,72 g anhidrida \ce{MgSO4} .

a) Izračunajte broj molekula vode u uzorku hidratne soli.

b) Odredite formulu hidratne soli \ce{MgSO_4 \cdot {xH_2O}} na temelju omjera množina \ce{MgSO4} i \ce{H2O} .

Rješenje:


m(\ce{H2O}) = \pu{28,12 g} – \pu{13,72 g} = \pu{14,40 g}

n(\ce{H2O}) = \dfrac{\pu{14,40 g}}{\pu{18,02 g mol-1}} = \pu{0,799 mol}

n(\ce{MgSO4}) = \dfrac{\pu{13,72 g}}{\pu{120,38 g mol-1}} = \pu{0,1140 mol}

n(\ce{MgSO4}) : n(\ce{H2O}) = 0,114 mol : 0,799 mol

n(\ce{MgSO4}) : n(\ce{H2O}) = 1:7

Formula hidratne soli je \ce{MgSO_4 \cdot {7H_2O}} .

Mjerodavni ili limitirajući reaktant

Mjerodavni ili limitirajući reaktant određuje količinu produkta koja može nastati u nekoj reakciji. Primjerice, reakcijom 1,95 g natrija i 3,30 g klora neće nastati 5,25 g natrijeva klorida, iako nam je poznato da je masa reaktanata jednaka masi produkata (zakon o očuvanju mase). Zašto je tomu tako?

Riješeni primjer 2.

Izračunajte masu natrijeva klorida koja teorijski može nastati reakcijom 1,95 g natrija i 3,30 g klora.

Jednadžba kemijske reakcije je:

\ce{2Na(s) + Cl2(g) -> 2NaCl(s)}

Zadano je:

m(\ce{Na}) = \pu{1,95 g}

m(\ce{Cl2}) = \pu{3,30 g}

Traži se:

m(\ce{NaCl}) = ?

Izradak

Korak 1

Za određivanje mjerodavnog (limitirajućeg) reaktanta u reakciji potrebno je izračunati množine reaktanata u reakciji.

n(\ce{Na}) = \dfrac{m(\ce{Na})}{M(\ce{Na})}

n(\ce{Na}) = \dfrac{\pu{1,95 g}}{\pu{22,99 g mol-1}}

n(\ce{Na}) = \pu{0,0848 mol}

n(\ce{Cl2}) = \dfrac{m(\ce{Cl2})}{M(\ce{Cl2})}

n(\ce{Cl2}) = \dfrac{\pu{3,30 g}}{\pu{70,9 g mol-1}}

n(\ce{Cl2}) = \pu{0,0465 mol}

Korak 2

Doseg reakcije, \xi (grč. ksi), odnosno množina jediničnih pretvorbi, definira se kao omjer promjene množine nekoga sudionika u reakciji i njegova stehiometrijskog koeficijenta:

\xi = \dfrac{\Delta n(\ce{A})}{\nu (\ce{A})}

gdje je \nu (\ce{A}) stehiomerijski koeficijent ispred reaktanta ili produkta A.

\ce{2Na(s) + Cl2(g) -> 2NaCl(s)}

\nu (\ce{Na}) = 2

\nu (\ce{Cl2}) = 1

Prema tomu, dobivene množine reaktanata podijele se s apsolutnim vrijednostima njihovih stehiometrijskih koeficijenata. Na taj se način izračuna doseg reakcije.


\xi (\textrm{za natrij}) = \dfrac{\Delta n(\ce{Na})}{\nu (\ce{Na})}

\xi (\textrm{za natrij}) = \dfrac{\pu{0,0848 mol}}{2} = \pu{0,0424 mol}

\xi (\textrm{za klor}) = \dfrac{\Delta n(\ce{Cl2})}{\nu (\ce{Cl2})}

\xi (\textrm{za klor}) = \dfrac{\pu{0,0465 mol}}{1} = \pu{0,0465 mol}

Budući da tvari reagiraju u stalnim omjerima, doseg reakcije ne može biti veći od onoga koji proizlazi iz množine reaktanta kojeg ima najmanje.

Reaktant koji određuje koliko reakcija najdalje može ići zove se mjerodavni ili limitirajući reaktant.

Stoga je mjerodavni reaktant natrij jer je njegov doseg u ovoj reakciji manji od dosega za klor.

Korak 3

Množina natrijeva klorida koji u reakciji nastaje kao produkt stavi se u omjer s množinom mjerodavnog reaktanta, natrija.


n(\ce{NaCl}) = 2\xi (\textrm{za natrij}) = 2\cdot\pu{0,0424 mol} = \pu{0,0848 mol}

m(\ce{NaCl}) = n(\ce{NaCl})\cdot M(\ce{NaCl}) = \pu{0,0848 mol}\cdot\pu{58,44 g mol-1} = \pu{4,96 g}

Odgovor:

Masa natrijeva klorida nastala reakcijom 1,95 g natrija i 3,30 g klora iznosi 4,96 g.

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Proučite shematski prikaz i odgovorite na sljedeća pitanja.

a) Napišite i izjednačite jednadžbu kemijske reakcije služeći se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

b) Volumen kisika pri normalnim uvjetima potreban za potpuno izgaranje (oksidaciju) 25,00 g acetona je:

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Pozorno pogledajte videozapis i odgovorite na pitanja koja slijede.

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Kolika je masa željeza koja se može dobiti u reakciji 24,0 kilograma željezova(III) oksida i 6,00 kilograma aluminija?

Napišite jednadžbu kemijske reakcije služeći se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

Mjerodavni reaktant u reakciji je

.

Reaktant u suvišku je

.

m(Fe) =

kg

m(suviška) =

kg

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Kolika je masa željeza koja se može dobiti u reakciji 24,0 kg željezova(III) oksida i 6,00 kg aluminija?

Napišite jednadžbu kemijske reakcije služeći se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

Mjerodavni reaktant u reakciji je
.

 

Reaktant u suvišku je
.

 

m(Fe) =
kg

 

m(suviška) =
kg
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Riješeni primjer 3.

Reakcijom smjese kalcijeva karbonata, \ce{CaCO3} , i pijeska, \ce{SiO2} , s klorovodičnom kiselinom oslobađa se ugljikov(IV) oksid, \ce{CO2} . Izračunajte maseni udio kalcijeva karbonata u smjesi ako je masa smjese 4,0 g, a masa nastalog ugljikova(IV) oksida 0,88 g.

Zadano je:

m(\textrm{smjese}) = \pu{4,0 g}

m(\ce{CO2}) = \pu{0,88 g}

Traži se:

w(\ce{CaCO3}) = ?

Izradak:

Jednadžbe kemijske reakcije


\ce{CaCO3(s) + 2HCl(aq) -> CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)}

n(\ce{CaCO3}) = n(\ce{CO2})

\ce{SiO2 + HCl -> } nema reakcije

m(\ce{CaCO3}) = \dfrac{m(\ce{CO2})M(\ce{CaCO3})}{M(\ce {CO2})}

m(\ce{CaCO3}) = \dfrac{\pu{0,88 g}\cdot \pu{100 g mol-1}}{\pu{44 g mol-1}} = \pu{2,0 g}

w(\ce{CaCO3}) = \dfrac{\pu{2,0 g}}{\pu{4,0 g}} = \pu{0,50}

Odgovor: Maseni udio kalcijeva karbonata u smjesi je 50 %.

Iskorištenje reakcije

Tijekom kemijskih reakcija osim predviđenih produkata mogu nastati i neželjeni produkti u reakciji, a moguće je i da reaktanti ne izreagiraju u potpunosti.

Zbog toga se računa iskorištenje reakcije, \eta ,
kao omjer eksperimentalno dobivene mase produkta i teorijske mase produkta.

Teorijska masa produkta računa se prema jednadžbi kemijske reakcije.
Pri tome se u obzir uzima mjerodavni reaktant jer on određuje doseg reakcije.

Iskorištenje se iskazuje postotkom.

Iskorištenje reakcije označava se grčkim slovom eta, \eta .

\eta = masa dobivenog produkta / teorijska masa produkta

\eta = \dfrac{\xi_{\textrm{real}}}{\xi_{\textrm{teor}}}

Iskorištenje reakcije

Tijekom kemijskih reakcija osim predviđenih produkata mogu nastati i neželjeni produkti, a moguće je i da reaktanti ne izreagiraju do kraja.

Zbog toga se računa iskorištenje reakcije, \eta , kao omjer eksperimentalno dobivene mase produkta i teorijske mase produkta.

Teorijska masa produkta računa se prema jednadžbi kemijske reakcije uzevši u obzir mjerodavni reaktant jer on određuje doseg reakcije.

Iskorištenje reakcije je omjer mase dobivenog produkta u reakciji i teorijske mase produkta. Iskorištenje reakcije označava se grčkim slovom eta, \eta . Iskorištenje se iskazuje postotkom.

\eta = \dfrac{\xi_{\textrm{real}}}{\xi_{\textrm{teor}}}

Riješeni primjer 4

Sintezom 10,00 g željeza i 10,00 g klora nastaje 11,35 g željezova(III) klorida. Izračunajte iskorištenje reakcije.

Zadano je:

m(\ce {Fe}) = \pu{10,00 g}
m(\ce {Cl2}) = \pu{10,00 g}
m(\ce {FeCl3}) = \pu{11,35 g}

Traži se:

Iskorištenje kemijske reakcije, \eta = ?

Izradak

Korak 1

Teorijska masa željezova(III) klorida računa se prema napisanoj jednadžbi kemijske reakcije.

1. Napisati jednadžbu kemijske reakcije:

\ce{2Fe(s) + 3Cl2(g) -> 2FeCl3(s)}

2. Izračunati množine svih reaktanata.


n(\ce{Fe}) = \dfrac{m(\ce{Fe})}{M(\ce{Fe})}

n(\ce{Fe}) = \dfrac{\pu{10,00 g}}{\pu{55,85 g mol-1}} = \pu{0,1791 mol}

n(\ce{Cl2}) = \dfrac{m(\ce{Cl2})}{M(\ce{Cl2})}

n(\ce{Cl2}) = \dfrac{\pu{10,00 g}}{\pu{70,90 g mol-1}} = \pu{0,1410 mol}

Korak 2

Doseg reakcije, \xi , je množina jediničnih pretvorbi, a definira se kao omjer promjene množine nekog sudionika u reakciji i njegovog stehiometrijskog koeficijenta:

\xi = \dfrac{\Delta n(\ce{X})}{\nu (\ce{X})}

\ce{2Fe(s) + 3Cl2(g) -> 2FeCl3(s)}

\nu( \ce{Fe}) = 2

\nu(\ce{Cl2}) = 3

3. Za svaki od reaktanata izračunati mogući doseg.


\xi = \dfrac{\Delta n(\ce{Fe})}{\nu (\ce{Fe})} = \dfrac{\pu{0,1791 mol}}{2} = \pu{0,08955 mol}

\xi = \dfrac{\Delta n(\ce{Cl2})}{\nu (\ce{Cl2})} = \dfrac{\pu{0,1410 mol}}{3} = \pu{0,04701 mol}

 
4. Najmanji doseg je ujedno i maksimalni mogući doseg reakcije i pripada mjerodavnom reaktantu.
Prema vrijednostima dosega reakcije može se zaključiti da je mjerodavni reaktant u reakciji klor.

Korak 3

5. Izračunati teorijsku masu produkta.


m(\ce{FeCl3}) = 2\cdot\dfrac{\Delta n(\ce{Cl2})}{\nu(\ce{Cl2})}\cdot M(\ce{FeCl3})

m(\ce{FeCl3}) = 2\cdot\pu{0,0470 mol}\cdot\pu{162,2 g mol-1} = \pu{15,25 g}

Odgovor:

Izračunana teorijska masa željezova(III) klorida prema jednadžbi kemijske reakcije iznosi 15,25 g.

Korak 4

Iskorištenje reakcije, \eta , predstavlja omjer mase dobivenog produkta (može se vagati) i teorijske mase produkta (koja se može izračunati na temelju jednadžbe kemijske reakcije):

\eta = masa dobivenog produkta / teorijska masa produkta

\eta = \dfrac{\pu{11,35 g}}{\pu{15,25 g}} = \pu{0,7443}

Odgovor:

Iskorištenje reakcije je prema tomu 74,43 %.

Na kraju…

Riješite interaktivni kviz!

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Na metalni stativ je pričvršćena epruveta u kojoj se nalazi spoj narančasto-smeđe boje.

Zagrijavanjem živina(II) oksida oslobađa se kisik. Izračunajte masu živina(II) oksida koja se razložila, ako je volumen razvijenoga kisika \pu{250 cm3} pri normalnim uvjetima (0 °C i 101 325 Pa).

Jednadžba kemijske reakcije:

\ce{2HgO(s) -> 2Hg(l) + O2(g)}

Rješenje:

m(HgO) =
g
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Dvije prozirne, staklene posude u kojima se nalazi etanol.

Izračunajte volumen ugljikova(IV) oksida koji nastaje potpunim izgaranjem 25,0 g etanola pri normalnim uvjetima.

Napišite jednadžbu kemijske reakcije služeći se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

Rješenje:

V(CO2) =
dm3
Netočno
Točno

Klikom odaberite jedan točan odgovor.

Odaberite točan odgovor.

Današnja oprema automobila nezamisliva je bez zračnoga jastuka.
Za napuhavanje jastuka upotrebljavaju se natrijev azid ( \ce{NaN3} ),
kalijev nitrat ( \ce{KNO3} ) i silicijev dioksid ( \ce{SiO2} ).

Pri sudaru automobila dolazi do brzoga punjenja zračnog jastuka plinovitim dušikom koji nastaje raspadom natrijeva azida, \ce{NaN3} .

Jednadžba kemijske reakcije:

\ce{2NaN3(s) -> 2Na(s) + 3N2(g)}

Za izradu zračnog jastuka upotrebljava se trevira (poliester), materijal čija su vlakna čvršća od čeličnih i oko šest puta lakša.

Masa natrijeva azida potrebna za nastanak 15,0 litara dušika pri 22,0 °C i tlaku od 1024,7 hPa je:

Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Žarenjem 1000 g natrijeva hidrogenkarbonata nastaje 527,5 g natrijeva karbonata. Izračunajte iskorištenje reakcije.
Jednadžba kemijske reakcije je:

\ce{2NaHCO3(s) ->[\Delta] Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l)}

 
Rješenje:

Iskorištenje reakcije je
%.
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Slika pokazuje jednadžbu. Modeli molekula vodika i kisika kako se spajaju u vodu

Napišite jednadžbu kemijske reakcije prema shematskom prikazu. Služite se alatom Pisanje kemijskih jednadžbi na webu.

Izračunajte masu vode u reakciji 3,00 g vodika i 5,00 g kisika.

Rješenje:

Mjerodavni reaktant je
.
m(H2O) =
g
Netočno
Točno

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Reakcijom 15,00 g vodika i 15,00 g kisika nastaje određena masa vode.

Jednadžba kemijske reakcije:

\ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)}

Rješenje:

Mjerodavni reaktant je
.
Masa neizreagiranog plina je
g.
Kolika je masa nastale vode?
g
Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?