BÖLÜM 2 KİMYASAL HESAPLAMALAR

Transkript

1 BÖLÜM KİMYASAL HESAPLAMALAR Bu bölümde, aşağıdaki konular kısaca anlatılarak uygun örnekler çözülür..1 Mol kavramı. Ortalama mol kütlesinin bulunması. Kimyasal formüllerin bulunması. Kimyasal reaksiyonlar ve Kimyasal reaksiyonların denkleştirilmesi.5 Kimyasal reaksiyonlarla ilgili hesaplamalar

2 Aşağıda verilen özet bilginin ayrıntısını, ders kitabı olarak önerilen, Erdik ve Sarıkaya nın Temel Üniversitesi Kimyası" Kitabı ndan okuyunuz.

3 .1 Mol Kavramı Latincede, çok büyük sayıları ifade etmede kullanılan ve büyük yığın anlamına gelen mol, 1 6 C 1 g (karbon-1 izotopundaki atom sayısı kadar parçacık içeren madde miktarıdır. Tek bir karbon-1 izotopunun kütlesi kütle spektroskopisiyle 1, g olarak bulunduğuna göre; 1 g karbon-1 izotopunun içerdiği karbon atom sayısı 6,0 10 tür. Bu sayı AVOGADRO SAYISI (N A olarak bilinir. 6,0 10 tane tür = 1 mol tür (atom, iyon, molekül, elektron.. 1 mol element 6,0 10 kadar atom içerir. (1 mol O, 6,0 10 tane O atomu içerir. 1 mol bileşik 6,0 10 kadar molekül içerir. (1 mol O, 6,0 10 tane O molekülü içerir.

4 6,0 10 tane tür = 1 mol tür (atom, iyon, molekül, elektron.. 1 mol atomunun(elementin kütlesi g cinsinden atom kütlesine eşittir ve M ile gösterilir, birimi g/mol dür. Örneğin; 1 mol O atomu(elementi, 16 g dır (M o : 16 g/mol ve 6,0 10 kadar O atomu içerir. 1 mol molekülün(bileşiğin kütlesi g cinsinden molekül kütlesine eşittir. Örneğin; 1mol Ca(NO ın içerdiği her bir element atomunun g cinsinden mol kütlelerinin formüldeki mol sayılarıyla çarpılması sonucu elde edilen g kadar molekül kütlesine sahiptir. n kütle(m molekül kütlesi(m mol sayısı

5 Örnek Soru: Aşağıdakileri hesaplayınız(al: 7,0 g/mol; S:,0 g/mol; O: 16,0 g/mol. a, g Al kaç moldür? b 1,0 10 tane Al kaç moldür? c, g Al de kaç tane molekül vardır? d, g Al de kaç tane S atomu bulunur? e 1,0 10 tane Al kaç g O içerir? f, g Al kaç g Al içerir? Çözüm: a, g Al kaç moldür? Önce, bu bileşik için mol kütlesi hesaplanır. Sonra, g ının kaç mol olduğuna ister oran-orantı yoluyla ister mol sayısı formülünden yararlanılarak ulaşılır. 1 mol Al ün kütlesi yani molekül kütlesi = (x 7,0 + (x,0 + (1x16,0= g/mol n kütle(m molekül kütlesi(m, 0,01 veya g Al 1 mol ise, g Al x x= 0,01 mol veya birim yok etme yöntemiyle 1mol Al?molAl,g Al g Al 0,01mol

6 b 1,0 10 tane Al kaç moldür? 6,0 10 tane Al 1 mol ise 1,0 10 tane Al x x= 0,0 mol c, g Al de kaç tane molekül vardır? g Al 1 mol ise, g Al x x= 0,1 mol 1 mol Al 6,0 10 tane Al molekülü içerirse 0,1 mol Al x x= 6,0 10 tane molekül içerir veya birim yok etme yöntemiyle?molekül,g Al 1mol Al g Al 6,0x10 tane molekül 1mol Al 6,0x10 tane Al molekülü içerir.

7 d, g Al de kaç tane S atomu bulunur??s atom,g Al 1mol Al g Al mol S 1mol Al 6,0x10 tane S 1 mol S atomu 1,8066 x10 tane Al molekülü içerir. e 1,0 10 tane Al kaç g O içerir??g O 1,0x10 tane Al 1mol Al 6,0x10 taneal 1 mol O 1mol Al 16,0 g O 1 mol O 9,16g O içerir. f, g Al kaç g Al içerir??g Al,g Al 1mol Al g Al 0,5g Al içerir. mol Al 1mol Al 7,0 g Al 1 mol Al

8 . Ortalama mol kütlesinin bulunması Doğada elementler izotoplarının karışımı olarak bulunurlar. Bir elementin ortalama mol kütlesi herbir izotop atomunun kütlesi ve doğal bolluk kesirlerinden yararlanılarak hesaplanır. 5 Cl 7 Cl Mg 5 Mg 6 Mg S S S Örnek Soru: Doğal bir Mg numunesinin %78,99 u Mg(, g, %10,00 u 5 Mg(, g ve %11,01 i 6 Mg(, g dır. Buna göre doğal magnezyumun ortalama kütlesini hesaplayınız. Mg atomunun ort.kütlesi (,98x10 78,99 (,19x ,00 (,15x ,01 100,16x10,19x10,751x10,06x10 g Mg un ortalama mol kütlesi = 6,0 10 x, g=,0 g/mol

9 . Kimyasal formüllerin bulunması Yapı formülü Bileşiğin yapısı hakkında bilgi verir. Ampirik formül(basit formül Bileşiğin yapısındaki elementlerin bileşimi, bağıl atom sayıları hakkında bilgi verir. Molekül formülü Bileşiğin yapısındaki elementlerin bileşimi, gerçek ve bağıl atom sayıları hakkında bilgi verir. Ampirik formülünün ve molekül formülünün belirlenmesinde bileşiğin yapısındaki elementlerin kütlece yüzde bileşiminden de yararlanılır. kütlece % bilesim elementin numunedeki numunenin( bileşiğin kütlesi kütlesi 100

10 Ampirik ve Molekül Formüllerinin Bulunması ile İlgili Örnek Soru ve Çözümü Soru: % 0,9 karbon, %,58 hidrojen ve %5,5 oksijen içeren C-vitamininin a ampirik formülünü (A.F. b denel mol kütlesi 176, 1 g/mol ise molekül formülünü bulunuz (C: 1,01 g/mol; H: 1,008 g/mol; O: 16,0 g/mol. Çözüm: a n n C H m M m M C C H H 0,9 1,01,58 1,008,05,5 / /,051,051,,99 A.F. C H O n O m M O O 5,5 16,0,06 /,051 b n M M denel A.F. 176,1 88,06,00 x (C H O = C 6 H 8 O 6 molekül formülüdür.

11 . Kimyasal Reaksiyonlar ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi Bir maddenin başla bir maddeye dönüştüğü kimyasal değişime neden olan olaya Kimyasal reaksiyon denir. Bu olayların çok çeşitli olduğu düşünülmesine rağmen temelde reaksiyona girenlerle reaksiyon sonucunda oluşan ürünler arasında elektron alış-verişi olanlar ve olmayanlar şeklinde gruplandırmak mümkündür. 1. Çökme reaksiyonları: Normal olarak çözünen iki elektrolit çözeltisi karıştırıldığında çözünmeyen bir katının oluştuğu reaksiyonlardır.. Kompleksleşme reaksiyonları: Elektron çifti sunabilen maddelerle metallerin verdiği reaksiyonlardır.. Asit-baz ve nötralleşme reaksiyonları (sonraki bölümlerde detaylı olarak işlenecektir: Sulu çözeltilerde reaksiyona girenler arasında H + iyonunun aktarılması esasına dayanır.. Yanma reaksiyonları: Organik bileşiklerin oksijenin aşırısında yanması sonucu CO ve H O nun oluştuğu reaksiyonlar olup, yanma analizleriyle de bir bileşiğin basit formülü hesaplanabilir. 5. Redoks reaksiyonları: Elektron alış-verişi olan yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarıdır. 6. Çekirdek reaksiyonları (sonraki bölümlerde işlenecektir: Yukarıda sayılanlardan farklı olarak çekirdekteki değişimleri içine alan, proton ve nötronları bulunduran çekirdeğin de değişikliğe uğradığı reaksiyonlardır.

12 Bazı Kimyasal Reaksiyonlara Örnekler ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi Çökme reaksiyonlarına örnek: Molekül denklemi: Hg (CH COO (aq + NaI(aq Hg I (k + NaCH COO(aq Toplam iyonik denklem: Hg (aq CHCOO (aq Na (aq I (aq HgI(k CHCOO (aq Na (aq Seyirci iyonlar Seyirci iyonlar Net iyonik denklem: Hg (aq I (aq HgI(k

13 Asit-baz ve nötralleşme reaksiyonlarına örnek: Arrhenius, Bronsted-Lowry ve Lewis asit-baz tanımları sonraki bölümlerde daha detaylı anlatılacağı için burada değinilmemiştir. Ancak, sulu çözeltilerde, en çok Bronsted-Lowry asitbaz tanımından yararlanarak karşısındakine proton(h + veren maddeler asit, karşısındakinden proton alan maddeler baz olarak tanımlanır. Aralarında bir protonluk ilişki olan asit-baz çiftlerine konjuge asit-baz çifti denir. Buna göre aşağıdaki reaksiyonlarda girenlerdeki asit-bazlar ve ürünlerdeki konjuge asitbazları işaretlenmiştir. kuvvetli asit kuvvetli baz HClO (aq + Mg(OH (aq H O(s + Mg(ClO (aq (Kuvvetli asit ve kuvvetli bazdan, tuz ve su oluşumunu gösteren nötralleşme reaksiyonu tuz kuvvetli asit baz bazın konjuge asidi asidin konjuge bazı HCl(aq + H O(aq H O + (aq + Cl - (aq (Proton aktarımı: kuvvetli bir asidin suda hidrolizine ait reaksiyon

14 zayıf baz asit asidin konjuge bazı bazın konjuge asidi NH (aq + H O(s OH - (aq + NH + (aq (Proton aktarımı: zayıf bir bazın suda hidrolizine ait reaksiyon zayıf asit baz asidin konjuge bazı bazın konjuge asidi CH COOH(aq + H O(s CH COO - (aq + H O + (aq (Proton aktarımı: zayıf bir asidin suda hidrolizine ait reaksiyon

15 Kimyasal Reaksiyonlara örnekler ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi Yükseltgenme-İndirgenme (Redoks Reaksiyonları ve Denkleştirilmesi: Yükseltgenme sayısı(yükseltgenme basamağı: Bir atomun sahip olmuş olduğu görünen elektron yüküdür Hg I S Na Al PO S 8 Cl NO MnO / KClO KClO KClO KClO KO İndirgen: Karşısındakini indirgerken kendisi yükseltgenen atom veya onu içeren bileşiktir. Yükseltgenme: Bir atomun elektron vererek yükseltgenme sayısının artması olayıdır. Yükseltgen: Karşısındakini yükseltgerken kendisi indirgenen atom veya onu içeren bileşiktir. İndirgenme: Bir atomun elektron alarak yükseltgenme sayısının azalması olayıdır.

16 Yükseltgenme basamağı sayıları kaynak ders kitabında belirtilen şekilde hesaplanarak önce redoks reaksiyonunda indirgenen ve yükseltgenen elementler işaretlenir. Sonra denkleştirmede kullanılan Yükseltgenme basamağı sayısının değişmesi yöntemi veya İyon-elektron yöntemi ne göre yarı reaksiyonlar yazılarak alınıp verilen elektron sayıları hesaplanır *. Elektron sayısı uygun katsayılarla eşitlenir. Kütlenin korunumu yasası dikkate alınarak diğer katsayılar da yazıldıktan sonra, varsa reaksiyonun en sade haliyle de yazılması için gereken düzenleme yapılarak denkleştirme tamamlanır. * Bu yöntemler kullanılarak denkleştirmenin nasıl yapıldığı ders için yararlanılan Temel Kimya kaynaklarında daha ayrıntılı anlatılmaktadır. İyon-elektron yöntemi için ortamın asidik ve bazik olmasına göre denkleştirmenin kuralları farklılık göstermektedir.

17 Yükseltgenme basamağı sayısının değişmesi yöntemine örnektir: HO I ClO IO Cl H x 10x I 6e I 5 Cl 5 10e Cl 6I 1I 5 60e 60e 10Cl 5 10Cl 6H O 6I 10ClO 1IO 10Cl 1H Kütlenin korunumu yasasına göre girenler ve ürünler kütlece eşittir. Toplam yük her iki tarafta -10 dur. Reaksiyonun denkleştirilmiş EN SADE şekilde yazılması için katsayılar ye bölünürse son hali: HO I 5 ClO 6IO 5 Cl 6 H

18 İyon-elektron yöntemine asidik ortam için örnektir: CrO7 Cl Cr Cl(asidik ortam e 1H Cr O 7 Cr 7H O x Cl Cl e 6e 1H Cr O 7 Cr 7H O 6Cl Cl 6e 1H Cr O 7 6Cl Cr 7H O Cl

19 İyon-elektron yöntemine bazik ortam için örnektir: MnO NH MnO N(bazik ortam x x e OH H N O MnO O N MnO H O e OH 1e 8H O MnO MnO 16OH 1OH MnO N N O O N N 1H H O 1e O MnO OH

20 .5 Kimyasal reaksiyonlarla ilgili hesaplamalar A + B C + D şeklindeki bir kimyasal reaksiyon uygun katsayılarla denkleştirildikten sonra : a A nın miktarına göre gerekli olan B miktarı hesaplanabilir. b B nın miktarına göre gerekli olan A miktarı hesaplanabilir. c Oluşan ürünlerin (C, D miktarı reaksiyona giren maddelerden sınırlayıcı bileşen olan reaktife bağlıdır. d Reaksiyona girmeden kalan(artan madde miktarı hesaplanabilir. e Sınırlayıcı bileşen aynı zamanda reaksiyon verimini de belirler.

21 Sınırlayıcı bileşen: Verilen bir reaksiyon için, reaksiyona giren maddelerden teorik olarak gerekli madde miktarından az olandır. Reaksiyon verimi: Bir reaksiyon sonucunda girenlerin tamamının teorik olarak beklenen ürüne dönüşmesi ve verimin %100 olması istenilen bir durum olsa da, bazı deneysel nedenlerden dolayı yan reaksiyonların oluşmasıyla teorik olarak beklenen ürün miktarına ulaşmak her zaman mümkün olamamaktadır. Bu durumda verim %100 den büyük veya küçük olabilmektedir. Reaksiyonu n % verimi Deneyselolarak bulunan ürün miktarı Teorik olarak bulunmas ı gereken ürün miktarı 100

22 Kimyasal reaksiyonlarda hesaplamalarla ilgili örnek: Soru: Aşağıdaki reaksiyona göre 7, g lık bir alüminyum numunesi,,10810 tane mangan (IIoksit molekülü ile reaksiyona girince katı alüminyum oksit ve mangan elde edilmektedir. Buna göre reaksiyonda (a sınırlayıcı bileşen hangisidir? (b geriye hangi maddeden kaç g artar? (c kaç gram Al O oluşur? (d 105,9 g Al O elde edildiğine göre reaksiyonun verimini hesaplayınız (e reaksiyonda çıkış maddesi olarak 5, g Al kullanılıyor olsaydı gerekli olan MnO(k miktarını hesaplayınız (Al: 6,98 g/mol; Mn: 5,9 g/mol; O: 16,0 g/mol Al(k + MnO(k Al O (k + Mn(k (a sınırlayıcı bileşen hangisidir? Önce verilen kimyasal reaksiyon denkleştirilir: Al(k + MnO(k Al O (k + Mn(k Sonra, çıkış maddelerinin mol sayıları hesaplanır: n n Al MnO 7, 6,98,75,108x10 6,0x10 mol,50 mol

23 Hesaplanan mol sayıları için teorik olarak gerekli diğer çıkış maddesinin mol sayısı hesaplanır. Bu miktarlara göre girenlerden biri tamamen harcanırken diğerinden bir miktarın arttığı görülecektir.?mol Al,50 mol MnO mol Al mol MnO, mol Al gereklidir.?mol MnO,750 mol Al mol MnO mol Al,15 mol MnO gereklidir. Başlangıçta elimizde,75 mol Al olduğu için, reaksiyonun gerçekleşmesi amacıyla,50 mol MnO için gerekli, mol Al sağlanmaktadır. Bu durumda, elimizdeki,50 mol MnO nun tamamı tükenmektedir. Başlangıçta elimizde,50 mol MnO olduğu için, reaksiyonun gerçekleşmesi amacıyla,75 mol Al için gerekli,15 mol MnO sağlanamamaktadır. MnO nun tamamı tükendikten sonra reaksiyon sonlanır. Al dan bir miktar artar. Bu durumda sınırlayıcı bileşen MnO dur.

24 (b geriye hangi maddeden kaç g artar? Al dan bir miktar artar. Artan g Al (,75-, mol Al 6,98g Al 1mol Al 11, g Al artar. (c kaç gram Al O oluşur? Bu ürünün miktarını sınırlayıcı bileşen olan MnO belirler. 1mol Al O [(6,98x (16x]g Al O? g Al O,50 mol MnO 118,95 g Al O mol MnO 1mol Al O

25 (d 105,9 g Al O elde edildiğine göre reaksiyonun verimini hesaplayınız. Teorik olarak,50 mol MnO dan oluşması gereken Al O miktarı 118,95 g olarak hesaplanmıştı.buna göre; Reaksiyonun % verimi 105,9g 118, %89,0 (e reaksiyonda çıkış maddesi olarak 5, g Al kullanılıyor olsaydı gerekli olan MnO(k miktarını hesaplayınız. Denkleştirilmiş reaksiyona göre birim yok etme yöntemiyle 5, g Al için gereken MnO miktarı hesaplanır. 1mol Al mol MnO (5,916g MnO?g MnO 5, g Al 1,98 6,98g Al mol Al 1mol MnO g MnO gerekli olurdu.