Obliczenia na podstawie równań reakcji – zadania maturalne z chemii

8
zadań: 17
poleceń: 10
poleceń otwartych z oceną: 1
lekcji interaktywnych

Obliczenia stechiometryczne: nadmiar, niedomiar i wydajność reakcji

Miareczkowanie alkacymetryczne — fenoloftaleina — Miareczkowanie alkacymetryczne — *fenoloftaleina*

### Wstęp do obliczeń stechiometrycznych Obliczenia stechiometryczne opierają się na poprawnie zapisanym i zbilansowanym równaniu reakcji chemicznej. Równanie to określa stosunek molowy, w jakim substraty łączą się ze sobą, oraz stosunek, w jakim powstają produkty. ### Nadmiar i niedomiar substratu Często substraty nie są mieszane w idealnych ilościach stechiometrycznych. Jeden z nich występuje w mniejszej ilości względem potrzeb reakcji – nazywamy go **substratem w niedomiarze**. To on całkowicie się zużywa i **determinuje maksymalną ilość powstającego produktu**. Pozostałe substraty są dodane w **nadmiarze** – po zakończeniu reakcji ich reszta wciąż znajduje się w mieszaninie poreakcyjnej. Aby sprawdzić, który reagent jest w niedomiarze: 1. Zbilansuj równanie reakcji. 2. Przelicz dane z zadania na liczby moli obu substratów. 3. Podziel liczbę moli każdego substratu przez jego współczynnik stechiometryczny z równania. 4. Reagent z najmniejszym wynikiem ilorazu to substrat w niedomiarze. ### Wydajność reakcji (W) W praktyce rzadko udaje się uzyskać teoretyczną, w pełni maksymalną ilość produktu. Strata masy może wynikać z równowagowego charakteru procesu, strat mechanicznych (przy filtracji) czy reakcji ubocznych. Wydajność reakcji (W) to stosunek masy, objętości lub liczby moli faktycznie uzyskanego produktu do jego wartości teoretycznej, najczęściej podawany w procentach: W = mrzeczywista/mteoretyczna · 100% ### Przykład z rozwiązaniem **Zadanie:** W naczyniu zmieszano 4 mole wodoru i 1 mol tlenu. Reakcja syntezy wody zaszła z wydajnością 90%. Oblicz masę otrzymanej wody. **Rozwiązanie:** 1. Równanie: 2H₂ + O₂ → 2H₂O 2. Określamy niedomiar: - Wodór: 4 / 2 = 2 - Tlen: 1 / 1 = 1 Mniejszy wynik (1) wskazuje, że tlen jest w niedomiarze. Obliczenia prowadzimy z wykorzystaniem tlenu. 3. Obliczamy masę teoretyczną wody: Z 1 mola O₂ powstają teoretycznie 2 mole H₂O. mteoretyczna = 2 mole · 18 g/mol = 36 g. 4. Obliczamy masę rzeczywistą z uwzględnieniem wydajności: mrzeczywista = 36 g · 0,9 = 32,4 g. **Odpowiedź:** Otrzymano 32,4 g wody.

Zapamiętaj

Zawsze sprawdzaj, czy równanie reakcji jest prawidłowo zbilansowane.
Obliczenia dotyczące ilości produktów prowadź na podstawie reagenta w niedomiarze.
Wydajność mniejszą niż 100% uwzględniaj dopiero w ostatnim etapie obliczeń z ilości teoretycznej LUB od razu redukując ilość moli produktu.

Typowe błędy

Przeliczanie ilości produktu na podstawie substratu, który był dodany w nadmiarze.
Brak przeliczenia danych masowych na liczby moli przed sprawdzeniem niedomiaru – masy nie można bezpośrednio przyrównywać do współczynników równania.
Stosowanie reguł dla gazów doskonałych (22,4 dm³/mol) do cieczy i ciał stałych.

Wymagania podstawy programowej

III.3.1 Wykonuje obliczenia stechiometryczne na podstawie równania reakcji, w tym z niedomiarem i nadmiarem substratu.
III.3.2 Oblicza wydajność reakcji oraz uwzględnia ją w obliczeniach.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Próbkę zanieczyszczonego węglanu wapnia o masie 200 g, w której ułamek masowy CaCO₃ wynosił 90%, poddano rozkładowi termicznemu (M(CaCO₃) = 100 g/mol, M(CO₂) = 44 g/mol). Po zakończeniu procesu zebrano gazowy produkt i zmierzono jego masę, która wyniosła 66 g.

1.1 Oblicz wydajność procentową reakcji rozkładu termicznego węglanu wapnia. Wynik podaj w procentach z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: m(CaCO₃) = 0,90 · 200 = 180 g = 1,8 mol, więc teoretycznie powstaje 1,8 mol CO₂ = 79,2 g. W = 66/79,2 · 100% = 83,3%.
Masa czystego CaCO₃ to 0,9 · 200 = 180 g, co stanowi 1,8 mol. Zgodnie z równaniem CaCO₃ → CaO + CO₂, teoretycznie powinno powstać 1,8 mol CO₂, czyli 1,8 · 44 = 79,2 g. Wydajność to (66 / 79,2) · 100% = 83,3%.
1.2 Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących opisanego procesu. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe. (1 pkt)
- 1. Masa stałej pozostałości po reakcji wynosi 134 g. (P/F)
- 2. Teoretyczna wydajność reakcji byłaby wyższa, gdyby użyto większej masy próbki. (P/F)
- 3. Zakładając, że zanieczyszczenia nie ulegają rozkładowi termicznemu, masa otrzymanego tlenku wapnia wynosi 84 g. (P/F)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1 – P, 2 – F, 3 – P
1. Masa stałej pozostałości (CaO + zanieczyszczenia) wynosi 200 g - 66 g = 134 g (z prawa zachowania masy). 2. Wydajność reakcji zależy od warunków prowadzenia procesu, a nie od ilości użytego substratu. 3. Zanieczyszczenia nie biorą udziału w reakcji.

Zadanie 2

W naczyniu umieszczono 5,4 g glinu i dodano 500 cm³ roztworu kwasu solnego o stężeniu 2,0 mol/dm³. Reakcja chemiczna przebiegła z wydajnością 80%.

2.1 Rozstrzygnij, który z substratów użyto w nadmiarze w stosunku do stechiometrii równania reakcji. (1 pkt)
- A. Glin
- B. Kwas solny
- C. Substraty zmieszano w ilościach stechiometrycznych
- D. Nie można tego ustalić na podstawie podanych danych
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: B. Kwas solny
Liczba moli Al wynosi 5,4 g / 27 g/mol = 0,2 mol. Liczba moli HCl to 0,5 dm³ · 2,0 mol/dm³ = 1,0 mol. Zgodnie z równaniem 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂, 0,2 mol Al wymaga 0,6 mol HCl. Użyto 1,0 mol HCl, więc kwas solny jest w nadmiarze.
2.2 Oblicz objętość wydzielonego gazu, odmierzoną w warunkach normalnych (Vm = 22,4 dm³/mol). Wynik podaj w dm³ z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. n(Al) = 5,4/27 = 0,2 mol, n(HCl) = 1,0 mol (nadmiar). Teoretycznie n(H₂) = 0,3 mol; przy wydajności 80%: 0,24 mol. V = 0,24 · 22,4 = 5,38 dm³.
Z 0,2 mol Al, przy 100% wydajności, powstaje 0,3 mol H₂. Uwzględniając 80% wydajność, otrzymujemy 0,3 · 0,8 = 0,24 mol H₂. Objętość to 0,24 · 22,4 = 5,376 ≈ 5,38 dm³.

Ćwicz ten dział z oceną – Premium Załóż darmowe konto