II. Stoichiometrie

1
II. Stoichiometrie
Academiejaar 2013-2014
Examenstof Hoofdstuk 2
belangrijke vaardigheden
•massa% ⇔ moleculaire/empirische formule
•berekenen moleculaire/empirische formule van onbekende (C/H/Y)verbinding
•interconversie gram, mol, aantal chemische entiteiten
•schrijven en in evenwicht brengen van een reactievergelijking
•herkennen types chemische reacties
•bepalen van stoichiometrische verhoudingen reactanten/produkten
•identificeren van reactant in ondermaat/overmaat
•berekenen massa reactanten/produkten
ook: reacties in sequentie, reacties met reactant in ondermaat
•berekenen van conversie, selectiviteit en opbrengst
•berekenen concentraties bij bereiden en verdunnen van oplossingen
•berekenen volume reactanten
•bepalen van het oxidatiegetal van alle atomen in een verbinding
•identificeren van redox-reacties/oxidans/reductans
•in evenwicht brengen redox-reacties (half-reactie methode) zie p II-34 & 35
2
3
Stoichiometrie van
verbindingen
4
•Voor elk element i in een verbinding geldt:
γ m,i
mi
Ni × AMi
ni × AMi
=
=
=
m verb
Nverb × MM
MM
⇒ mi = γ m,i × m verb
mi
ni × AMi
m% i = 100 ×
= 100 ×
MM
∑ mi
i
•Voor elke verbinding i in een mengsel geldt:
mi
mi
⇒ mi = γ m,i × mmengsel
γ m,i =
=
mmengsel ∑ mi
i
5
Voorbeeld 1
Bepaal de massafractie C en H in caffeïne
(C8H10N4O2).
Bepaal het m% N en het m% O in caffeïne.
O
N
N
O
N
N
element
m%
C
49.48
H
5.15
N
28.87
O
16.49
6
7
Bepaling formule onbekende verbinding
Hoeveel atomen van welke elementen zijn
er in de verbinding?
C/H-verbinding + O2 → CO2, H2O, O2, overmaat...
afgewogen hoeveelheid
onbekende verbinding
⇒ massa CO2 en H2O gevormd bij verbranding
?
formule verbinding
Zie p II-2
Volledige verbranding = reactie met zuurstof waarbij CO2 en H2O gevormd worden
8
9
Studie-opgave 3
Cumeen is een verbinding die enkel C en H
bevat en wordt industrieel gebruikt voor de
productie van aceton en fenol. Verbranding
van 47.515 mg cumeen geeft 156.8 mg CO2
en 42.8 mg water. De molaire massa van
cumeen is 120 g/mol. Bepaal de empirische
en de moleculaire formule.
nC NC
=
= 0.75 ⇒ C0.75H ⇒ C3H4
nH NH
MM = n × FM ⇒ n =
MM
= 3 ⇒ C9H12
FM
10
•Methode 1: bruikbaar voor CxHy
•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand
12 g C
= 42.7636 mg C
156.8 mg CO2 ×
44 g CO2
•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand
2 gH
42.8 mg H2O ×
= 4.7556 mg H
18 g H2O
massa
CO2
H2O
156.8 mg
42.8 mg
mi
mol i
nC/nH
C: 42.7636 mg C: 3.564
H: 4.7556 mg
H: 4.756
Empirische formule cumeen: C0.75H ⇒ C3H4
0.75
11
•Methode 2: algemeen bruikbaar
•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand
12 g C
= 42.7636 mg C
156.8 mg CO2 ×
44 g CO2
•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand
2 gH
42.8 mg H2O ×
= 4.7556 mg H
18 g H2O
•massafractie C en H in cumeen
γ m,C =
γ m,H =
mC
mcumeen
mH
mcumeen
42.7636 mg C
=
= 0.9000
47.515 mg cumeen
4.7556mg H
=
= 0.1000
47.515 mg cumeen
12
γm,i
mol i
mol/mol
C: 0.9000
C: 0.075
C: 1
H: 0.1000
H: 0.1
H: 1.33
Empirische formule cumeen: CH1.33 ⇒ C3H4
MM = n × FM
MMcumeen 120 g
n=
=
=3
FMC3H4
40 g
⇒ Moleculaire formule cumeen: C9H12
13
Studie-opgave 23
Een verbinding bevat enkel C, H, N en O.
Verbranding, d.i. reactie met een overmaat O2,
van 0.157 g van de verbinding geeft 0.213 g
koolstofdioxide en 0.0310 g water. In een ander
experiment, wordt er uit 0.103 g van de
verbinding 0.0230 g ammoniak gevormd. Wat is
de empirische formule van deze verbinding?
X: C2.35H1.67NO2 ⇒ C7H5N3O6
14
15
Stoichiometrie van
reacties
Types chemische reacties
16
•gasfasereactie
C2H6(g) → H2(g) + C2H4(g)
•verbrandingsreactie
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(A)
•neerslagreactie (precipitatiereactie)
K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)
•neutralisatiereactie
zuur + base → zout + water
2 HNO3(aq) + Ba(OH)2(aq) → Ba(NO3)2(aq) + 2 H2O(A)
•gasvormende reactie
KClO3(v) → KCl(v) + O2(g)
Zie ook p II-2
Massa’s reactanten en producten
17
aA+bB→cC+dD
mA
nA =
nA
mB
mA
MMA
b
nB = n A ×
a
c
nC = n A ×
a
mB = nB × MMB
nB
nc
mC = nC × MMC
mC
Zie p II-15
18
Voorbeeld 2
Zie p II-20
In een poging om waterstofperoxide (H2O2) te
bereiden werden in een reactievat 1.1 mol
waterstofgas en 1 mol zuurstofgas met elkaar
gemengd. Na stopzetten van de reactie werd het
reactiemengsel geanalyseerd. Uit deze analyse
blijkt dat het reactiemengsel 0.6 mol H2O, 0.3 mol
H2O2, 0.2 mol H2 en 0.4 mol O2 bevat. Bereken
de conversie, de selectiviteit en de molaire
opbrengst van de reactie.
XH2 = 0.82
SH2O2 = 0.33 mol / mol H2,omgezet
YH2O2 = 0.27 mol / mol H2,o
XO2 = 0.60
SH2O = 0.67 mol / mol H2,omgezet
YH2O = 0.55 mol / mol H2,o
19
Volumes reactanten en producten
20
aA+bB→cC+dD
VA
nA =
nA
VB
cA
VA
VB =
b
nB = n A ×
a
c
nC = n A ×
a
nB
cB
nB
nc
CC =
cC
nC
VA + VB
Zie p II-23
Verdunnen van een oplossing
21
aantal mol opgeloste stof n blijft constant bij verdunning
ni
ci =
V
ni = c i,o × Vo = c i,f × Vf
Vi
c i,f = c i,o ×
Vf
Zie p II-21
22
Voorbeeld 3
Een oplossing wordt bereid door 40 ml van een 0.3 M
ammoniumsulfaatoplossing aan te lengen tot 250 ml,
gevolgd door een 1:10 verdunning en door een 1:50
verdunning. Bereken de concentratie aan
ammoniumionen in de resulterende oplossing.
Verklaar je antwoord. (1:X verdunning = 1 ml
aanlengen tot X ml) .
c (NH
4)
+
= 1.92 × 10 −4 M
23
c (NH
V1 V3 V5
= 2 × c (NH4 )2 SO4 ,o ×
×
×
V2 V4 V6
c (NH
0.3 mol 40 mA
1 mA
1 mA
= 2×
×
×
×
A
250 mA 10 mA 50 mA
c (NH
= 1.92 × 10 −4 M
+
)
4
+
)
4
4)
+
Dissociatie in waterige oplossingen:
elektrolyten en niet-elektrolyten
24
Zie p II-12
Geleidbaarheid in waterige oplossing
solvatatie ionen in water
•oplossing: ionen zijn beweeglijk
anode
katode
⇒ ionen zijn ladingsdragers
⇒ geleidbaarheid
25
26
Reactievergelijkingen in waterige oplossing
•Moleculaire reactievergelijking
neerslag
waterige oplossing
K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)
bij oplossen in water splitsen ionaire verbindingen in ionen
CuCl2 (aq) = Cu2+(aq) + 2 Cl−(aq)
gehydrateerd koperion:
Cu2+(aq) = [Cu(H2O)6]2+
gehydrateerd chloride ion:
Cl−(aq) = [Cl(H2O)6]−
Zie p II-8 & II-11
27
•Ionaire reactievergelijking
AgNO3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (v) + NaNO3 (aq)
spectatorionen zijn niet rechtstreeks betrokken in reactie
netto-ionaire reactievergelijking: Ag+(aq) + Cl−(aq) → AgCl (v)
spectatorionen zijn wel van belang voor stoichiometrische berekeningen
1 mol AgCl(aq) = 1 mol Ag+(aq) + 1 mol Cl−(aq)
1 mol CuCl2(aq) = 1 mol Cu2+(aq) + 2 mol Cl−(aq)
28
Neerslagreacties
Anion
Nitraat (NO3-)
Oplosbaar
Matig oplosbaar
Onoplosbaar
(> 10 g/l)
(0.1 tot 10 g/l)
(< 0.1 g/l)
Alle
Acetaat (CH3COO-) Meeste
Chloraat (ClO3-)
Be(CH3COO)2
Alle
Perchloraat (ClO4-) Meeste
KClO4
Fluoride (F-)
Groep I, AgF, BeF2
SrF2, BaF2, PbF2
MgF2, CaF2
Chloride (Cl-)
Meeste
PbCl2
AgCl, Hg2Cl2
Bromide (Br-)
Meeste
PbBr2, HgBr2
AgBr, Hg2Br2
Jodide (I-)
Meeste
Sulfaat (SO42-)
Meeste
Sulfiet (SO32-)
Groep I, (NH4)2SO4
Meeste
Sulfide (S2-)
Groep I en III, (NH4)2S
Meeste
Carbonaat (CO32-)
Groep I, (NH4)2CO3
Meeste
Fosfaat (PO43-)
Groep I, (NH4)3PO4
Meeste
Hydroxide (HO-)
Groep I, Ba(OH)2
AgI, Hg2I2, PbI2, HgI2
CaSO4, Ag2SO4, Hg2SO4 SrSO4, BaSO4, PbSO4
Sr(OH)2, Ca(OH)2
Meeste
Tabel 2.4 (p II-14); bijlage 5
29
Voorbeeld 4
Veronderstel dat 50 ml van een 0.05 M oplossing
van lood(II)nitraat gemengd wordt met 40 ml van
een 0.2 M oplossing van natriumjodaat bij 25°C en
dat het gevormde lood(II)jodaat volledig neerslaat.
Bereken de massa van het gevormde neerslag.
Bereken de concentratie van de ionen in de
resulterende oplossing.
mPb(IO3 )2 = 1.39 g
c NO
−
= 0.056 M
3
c Na+ = 0.089 M
cIO
−
3
= 0.033 M
30
•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 bevat
nPb(NO3 )2 = M × V =
0.05 mol
1× 103 mA
× 50 mA = 2.5 × 10 −3 mol
nPb 2+ = nPb(NO3 )2 = 2.5 × 10 −3 mol
n
NO3
−
= 2 × nPb(NO3 )2 = 5 × 10 −3 mol
•40 ml 0.2 M NaIO3 bevat
nNaIO3 = M × V =
0.2 mol
1× 103 mA
× 40 mA = 8 × 10 −3 mol
nNa + = nNaIO3 = 8 × 10 −3 mol
n
IO3
−
= nNaIO3 = 8 × 10 −3 mol
31
•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 + 40 ml 0.2 M NaIO3
Pb2+(aq) + 2 NO3−(aq) + 2 Na+(aq) + 2 IO3−(aq) → Pb(IO3)2(v) + 2 Na+(aq) + 2 NO3− (aq)
stoichiometrische verhouding
2 mol IO3 −
actuele verhouding
8 × 10 −3 mol IO3 −
2
=
1 mol Pb2 + 1
2.5 × 10 −3 mol Pb2 +
=
3 .2
1
•2.5 × 10-3 mol Pb2+ reageert met
2.5 × 10 −3 mol Pb2 + ×
2 mol IO3 −
1 mol Pb2 +
= 5 × 10 −3 mol IO3 −
•mol Pb(IO3)2 dat neerslaat = mol Pb2+ gereageerd
•massa van het gevormde lood(II)jodaatneerslag
mPb(IO3 )2 = 2.5 × 10
−3
557 g
= 1.39 g
mol ×
mol
32
•90 ml oplossing bevat
= 8 × 10 −3 mol − 5 × 10 −3 mol = 3 × 10 −3 mol
n
IO3 −
M
IO 3 −
n
NO3
−
n 3 × 10 −3 mol
= =
= 0.033 M
−
3
V
90 × 10 A
= 5 × 10 −3 mol
M
NO3 −
n 5 × 10 −3 mol
= 0.056 M
= =
V
90 × 10 −3 A
nNa + = 8 × 10 −3 mol
n 8 × 10 −3 mol
MNa + = =
= 0.089 M
−
3
V
90 × 10 A
33
Gasmengsels: definities
HII: p. II-24-27
34
Gasmengsels: partieeldruk pi
Ptot = ∑ pi =
∑ n RT
i
i
i
ntot = ∑ ni
V
i
molfractie i: γ i =
ni
ntot
Ptot = ∑ pi =
i
ni
ci =
V
∑ n RT
35
i
i
V
Ptot = RT∑ c i
i
niRT
Vi =
Ptot
∑ niRT
Vtot = ∑ Vi = i
Vi
vol%i =
× 100
Vtot
i
geldt enkel voor
gasmengsels
ni
mol%i =
× 100 = vol%i
n tot
molfractie i
Ptot
Omrekenen vol% naar m%
verbinding
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
zie Minerva/documenten/handouts
lucht
vol%
78.08
20.95
0.93
0.036
1.82×10−3
5.24×10−4
1.7×10−4
1.14×10−4
m%
75.52
23.14
1.29
0.05
1.27×10−3
7.24×10−5
9.4×10−5
3.3×10−4
36
37
Normaalomstandigheden temperatuur en druk: T = 0°C, P = 1 bar
STP (Standard conditions of Temperature and Pressure)
zie H9
!!!!LET OP: normaalomstandigheden ≠ TD standaardcondities
38
Voorbeeld 5
HII: p. II-24
Een vat van 5.00 liter bevat 32.1 gram van
een gas bij 25°C en een druk 2.45 atm. Welk
gas is er aanwezig in het vat?
a. Cl2
b. F2
c. NO2
d. SO2
SO2
39
mX
PV
m XRT
=
⇒ MMX =
nX =
MMX RT
PV
0.08206 A atm
× 298.15 K
32.1g ×
g
mol K
= 64.1
MMX =
2.45 atm × 5.00 A
mol
X = SO2
40
Redoxreacties
In evenwicht brengen redoxreacties:
enkel halfreactiemethode is examenstof
oxidatiegetalmethode wordt NIET GEVRAAGD en
OOK NIET GEBRUIKT op examen
Redoxreactie: oxidatie/reductie
reductans
A
oxidans
e
A wordt
geoxideerd
en staat
elektronen af
B+
B wordt
gereduceerd
en neemt
elektronen op
A+
•Oxidatie: produceert elektronen
•Reductie: verbruikt elektronen
B
e
41
42
Fe(v) + Cu2+(aq) + SO42-(aq)
− 2e ⇒Fe: reductans
+ 2e ⇒Cu: oxidans
Cu(v) + Fe2+(aq) + SO42-(aq)
43
Redoxkoppel: oxidans/reductans
reductans
oxidatie: Fe( s ) → Fe 2+ ( aq) + 2e −
reductie: Cu2+ ( aq) + 2e − → Cu(s)
•Redoxkoppels: ox/red
Fe2+/Fe
Cu2+/Cu
Fe
e
oxidans
Cu2+
e
Cu2+ wordt
gereduceerd
en neemt
elektronen op
Fe wordt
geoxideerd
en staat
elektronen af
e
Fe2+
•Reductans: reduceert het oxidans
•Oxidans: oxideert het reductans
e
Cu
44
Studie-opgave 20c
Breng de volgende reactie in evenwicht in
basisch milieu (gebruik de halfreactiemethode)
−
CoCl2( aq) + HO 2( aq)
→ Co(OH)3( aq) +
−
2 Cl( aq)
2CoCl2( aq) + HO 2−( aq) + H2O( A ) + 3HO − → 2 Co(OH)3( aq) + 4 Cl(−aq)
45
46
Oefening 2.51
Om te bepalen of een bestuurder onder invloed van alcohol
rijdt, maakt de politie gebruik van een ademtest. Deze test
bestaat uit het leiden van de adem van de bestuurder
doorheen een ampule die kaliumdichromaat in zwavelzuur
bevat. Indien de adem ethylalcohol bevat dan reageert het
ethylalcohol met de dichromaatanionen met vorming van
azijnzuur en Cr3+-ionen.
Schrijf de globale reactie (in evenwicht) voor dit proces.
oplossing van
dichromaatanionen
oplossing van Cr3+
3 CH3CH2OH + 2 K 2Cr2O7 + 8 H2SO 4 → 3 CH3COOH + 2 Cr2 (SO 4 )3 + 2 K 2SO 4 + 11 H2O
47