Kimyasal Tepkimelerde Hesaplamalar

Kimyasal Tepkimelerde Hesaplamalar

Kimyasal tepkimelerde hesaplamalar ünitesi: kimyasal tepkimelerin denkleştirilmesi sırasında kullanılan katsayılar  tepkimede bulunan maddelerin tepkimeye girme oranlarını oluşturur. Bu orana sitokiyometrik oran denir. Bir kimyasal tepkimede miktar hesabı yaparken sitokiyometrik oran kullanılır.

Kimyasal tepkimelerde hesaplama yaparken, toplam kütle, ve toplam atom sayısının korunduğunu unutmayalım.

Aşağıdaki tepkimeyi inceleyelim ve sitokiyometrik oranı yorumlayalım;

ornek

Tepkimede her bir bileşenin önündeki sayılar kullanılarak bir oran oluşturulur. Görüldüğü üzere N2 nin önünde 1 (1 rakamı yazılmaz), H2 nin önünde 3, NH3 ün önünde 2 katsayısı vardır. Yani 1 tane N2 ile 3 tane H2 tepkimeye girer 2 tane NHoluşur. Bu oran (1:3:2)  hacim (yalnızca gazlarda), kütle ve mol miktarları hesaplanırken kullanılır.

Kimyasal tepkimelerde işlem yaparken özel bir formüle ihtiyaç duymadan bileşenler arasında doğru oranın kurulduğunda sonuca ulaşılabilir. Bununla birlikte kütle, mol sayısı, mol kütlesi ve avogadro sayısı arasında ilişki kurmak için daha önce verdiğimiz formülleri kullanabilirsiniz. Basit oran-orantı yerine formül kullanmanız yalnızca işlem hızınızı arttırır. Biz verdiğimiz örneklerde yeri geldiğinde her iki işlem yolunu da kullanacağız.

*Sorularda tüm verilerin (g, mol ya da tane) mol miktarına dönüştürülmesi işlem kolaylığı açısından önemlidir. Mol sayısı ile molekül kütlesi, kütle, hacim, tanecik sayısı ve avogadro sayısı arasındaki ilişkiyi hatırlayalım:

mol kütlesi-mol ilişkisi:      n = m/M    (mol = kütle/mol kütlesi)

tanecik sayısı-mol ilişkisi:    n = N/NA     (mol = tanecik sayısı/avogadro sayısı)

mol hacmi-mol ilişkisi:        n = V/22,4    ( mol = hacim/22,4)

*Normal şartlar altında (1 atm basınç ve 0 oC sıcaklık) 1 mol gaz 22,4 L hacim kaplar.

Bu ünitede;

  • Formül bulma,
  • sınırlayıcı bileşen (artanlı tepkimeler),
  • karışım problemleri,
  • tepkime verimi ve yüzde saflık bulma

işlemleri yapılacaktır.

Formül Bulma

Bir bileşiğe ait basit (kaba) formül ve gerçek formülden bahsedebiliriz. Basit formülde atom cinsi ve atomların sayıca birleşme oranı belirtilir. Gerçek formülde ise atom cinsi ile birlikte atomların gerçek sayıları belirtilir. Örneğin;

Gerçek formülü C6H12Oolan glikozun basit formülü CH2O dur.

Basit formül kütlesi bilinen bir bileşiğin gerçek formül kütlesi aşağıdaki eşitlikle bulunur:

Gerçek formül kütlesi = n.(basit formül kütlesi)

n sayısı herhangi bir katsayıdır. Gerçek formül kütlesi bileşiğin 1 molünün kütlesidir, yani mol kütlesidir. Mol kütlesi işlemlerini kimyasal tepkimelerde kullanacağız. Bir bileşiğin gerçek formülünün bilinebilmesi için, bileşiği oluşturan atomların cinsi ile bu atomların bileşikteki gerçek sayısı ve  elementlerin atom ağırlığının bilinmesi gerekir.

Formül bulma sorularından önce atom ağırlığı bulma sorularına bakalım.

Örnek – 1

ornek-2

Yukarıdaki reaksiyonda 11,2 g XO kullanıldığında 3,6 g H2O harcanıyor. Buna göre, X in atom ağırlığı kaç g/mol dür? (H:1, O:16)

Sorunun çözümü için XO nun molekül kütlesine ulaşılmalıdır. Bunun için H2O nun mol sayısı bulunabilir.

H2O için:

n = m/MA          n = 3,6/18 = 0,2 mol

XO nun mol sayısı ile H2O nun mol sayıları birbirine eşittir (denklemdeki katsayı oranları 1:1).

XO için:

nXO =  nH2O   olup,

0,2 = 11,2/MA

M= 11,2/0,2 = 56 g (XO bileşiğinin mol kütlesi)

Buradan XO nun mol kütlesi hesaplanır:

X + O = 56

X + 16 = 56

X = 40 g/mol bulunur

Örnek – 2 

50 g XaYbileşiğinin 36 gramı X elementidir. Buna göre XaYb bileşiğinin basit formülü nedir? (X:24, Y:14)

50 g bileşiğin 36 gramı X ise 14 gramı Y dir.

Bu tür sorularda her bir elementin mol miktarı bulunur ve pay ve payda tam sayı olacak birbirine oranlanır.

cozum-2

O halde bileşik formülü: X3Y2 dir.

Sınırlayıcı Bileşen Bulma (Artanlı tepkimeler)

Tam verimli tepkimelerde tepkimeye giren maddelerden biri ya da bir kaçı mutlaka tükenmiş olmalıdır. Tepkimeye giren maddelerden biri tükendiğinde tepkime devam etmez, durur. Bu nedenle tükenen maddeye sınırlayıcı bileşen denir.

Tam verimli tepkimelerde tepkimeye giren maddelerden birinden bir miktar artmış olabilir. Tepkime sonunda ortamda tepkimeye girmeden kalan bu maddeye artan madde, bu tür tepkimelere artanlı tepkime denir.

*Artanlı tepkimelerde giren maddelerden eşit kütlede alınmışsa daima çok harcanan tükenir. Aynı şekilde eşit mol sayıda alınmışsa tepkime katsayısı büyük olan tükenir.

Aşağıda verilen H2 ve O2 den H2O oluşum tepkimesini inceleyelim ( H:1, O:16)

Başlangıçta kapta eşit miktarlarda (16 g H2 ve 16 g O2) reaktif var. Tepkimeye hangi gazdan ne kadar gireceğini kütlece birleşme oranları belirler. Değişim miktarı basamağında görüldüğü gibi 2 g H2 ile 16 g O2 tepkimeye girer. Bu oran (2/16) bu tepkime için sabittir. O halde ortamda H2 den fazla miktarda bulunmaktadır. 16 g O2 ile en fazla 2 g H2 gazı tepkimeye girebilirken kapta 16 g H2 vardır. Sonuç olarak O2 tamamen tükenir, 14 g H2 artar. Görüldüğü üzere kütlece birleşme oranı büyük olan O2 gazı tükenmiştir, yani sınırlayıcı bileşendir.

*Bu işlemler mol sayısı üzerinden de yapılabilir. Aşağıdaki örnekte mol sayısı üzerinden işlem yapacağız.

Sınırlayıcı Bileşen Soruları

 

Örnek – 3 

ornek-3

denklemi ile gerçekleşen tepkimede 56 şar gram N2 ve H2 gazları tam verimle tepkimeye sokuluyor. Buna göre sınırlayıcı bileşeni, artan madde miktarını, oluşan NH3 gazının gram miktarını bulunuz.

ÇÖZÜM:

Öncelikle 56 gram N2 ve H2 gazlarının mol sayılarını hesaplayalım,

nN2 = 56/28 = 2 mol       nH2 = 56/2 = 28 mol

Denklemdeki maddeler katsayıları ile orantılı olarak tepkimeye girer. N2 ile H2 için bu oran 1:3 tür. Yani 1 mol N2 ile daima 3 mol H2 tepkimeye girer. Bu oranı genişletip değişim miktarı basamağına yazalım,

ornek-3

1 mol N2 gazı ile 3 mol H2 gazı tepkimeye girebildiğine göre, 2 mol N2 ile 6 mol H2 tepkimeye girebilir. Bu durumda N2 gazı tamamen harcanırken H2 gazından 22 mol (44 gram) artar. 4 mol NH3 gazı oluşur.

Karışım Problemleri

Karışım problemlerinde, karışımı oluşturan maddelerin birbirleri ile tepkimeye girmesi söz konusudur. Bu tür sorularda hangi maddelerin birbiri ile tepkimeye girebildiği ya da giremediği bilinmelidir. Tepkime gerçekleşiyorsa tepkime denklemi yazılmalıdır.

Örnek – 4 

C2H4 ve C4H6 gazlarından oluşan 0,4 mollük bir karışımın tamamen yakılması sonucu normal şartlar altında 22,4 L hacim kaplayan CO2 gazı oluşuyor.

Buna göre, karışımdaki C2H4 ün kütlesi kaç gramdır? (H:1, C:12)

ÇÖZÜM:

Öncelikle her iki gazın yanma tepkimesini yazalım. Karışımdaki C2H4 gazına x mol dersek, C4H6 gazı (0,4-x) mol olur. Tepkime katsayılarıyla orantılı olarak her iki tepkimede oluşan CO2 gazını x cinsinden bulalım.

Soruda iki tepkimeden toplam 22,4 L CO2 oluştuğu belirtiliyor. 22,4 L nin NŞA’da 1 mol olduğunu biliyoruz.

O halde tepkime katsayılarıyla x cinsinden bulduğumuz CO2 miktarlarını 1 mole eşittir.

3x + 4.(0,4-x) = 1    denklemini çözelim.

3x + 1,6 – 4x = 1

x = 0,6 mol   bu değer C2H4 e aittir.

Şimdi 0,6 mol C2H4 ün kaç gram olduğunu bulalım.

C2H4 ün mol kütlesi: MA = 12.2 + 4.1 = 28 g

n = m/MA      0,6 = m/28    m = 28.0,6 = 16,8 g

Tepkime Verimi Bulma

Yüzde Verim Hesaplama

Bir tepkimenin teorik verimini, sınırlayıcı bileşen belirler. Bir başka deyişle teorik verim, sınırlayıcı bileşenin tümüyle kullanılması hâlinde oluşabilecek ürün miktarıdır. Teorik verim, elde edilebilecek en yüksek verim olup denkleştirilmiş tepkimeden sayısal olarak hesaplanabilir. Uygulamada ise gerçek verim kullanılır ve gerçek verim tepkime sonunda oluşan ürün miktarıdır. Burada gerçek verim daima teorik verimden küçüktür. Kimyasal tepkimelerde tepkime verimini düşüren birçok neden olabilir. Esas tepkimenin yanında yürüyen ikinci bir tepkimenin reaktifleri kullanması, reaksiyonun dengede olması (Dengedeki tepkimede hem tepkimeye girenler hem de ürünler bulunur.), tepkime esnasındaki madde kayıpları, kullanılan maddenin yeterince saf olmaması gibi örnekler verilebilir.

Örnek – 5

265 gram Na2CO3’ın bir miktar HCI çözeltisiyle tepkimesinden 3,01.1023 tane CO2 molekülü oluşmaktadır. Buna göre tepkimenin verim yüzdesi kaçtır? (C: 12 g mol –1 , O: 16 g mol –1 , Na: 23 g mol–1)

ÇÖZÜM:

Tepkime denklemini yazalım ve denkleştirelim.
Na2CO3(k)     +    2HCI(suda)  ⇒     2NaCI(suda)   +    CO2(g)    +   H2O(s)

Tepkime sonunda oluşan CO2’in mol sayısını bulalım.
n = N /NA = 3,01.1023 / 6,02.1023 = 0,5 mol CO2 olur.

Tepkime denkleminden 0,5 mol CO2’in oluşması için 0,5 mol Na2CO3’ın harcanması gerektiğini anlayabiliriz. Çünkü tepkime denkleminde 1 mol CO2’in oluşması için 1 mol Na2COharcanmaktadır.
Buradan da 0,5 mol Na2CO’ın kütlesini bulalım.

n = m / MA ise                (Na2CO3 = 2 · 23 + 12 + 3 · 16 = 106 g mol–1)
0,5 = m / 106 ⇒ m = 53 g Na2CO3 olur.

265 g Na2CO’ın         53 g ı harcanıyor.
100 g Na2CO’ın          x

x = 20 gram harcanır.  Tepkimenin verimi %20’dir.

 

Örnek – 6

Kütlece %60’lık 720 g AI4C3 örneği yeterli miktarda H2O ile tepkimeye sokuluyor.
AI4C3 (k)   +  12 H2O(s)     ⇒    4 AI(OH)3(k)    +    3 CH4(g)
Tepkime %80 verimle gerçekleştiğinde NK’da kaç litre CH4 gazı elde edilir?
(C: 12 g mol–1 , Al: 27 g mol–1)

720 g AI4C3 örneğindeki saf AI4C3 miktarını bulalım.

Tepkime %80 verimle gerçekleştiğine göre tepkimede harcanan AI4C3 katısının miktarı;

Tepkimede harcanan AI4C3’ün mol sayısını bulalım.

n = m/MA = ise              (AI4C3 = 4 · 27 + 3 · 12 = 144 g mol–1)
n = 345,6/144 = 2,4 mol AI4C3

Tepkime denkleminden yararlanarak NŞ’da elde edilen CH4 gazının hacmini bulalım.

1 mol AI4C3  den        3 · 22,4 L CH4  gazı oluşursa
2,4 mol AI4C3                x

x = 161,28 L CH4 gazı oluşur.