Középszint

Mit mond el egy rendezett reakcióegyenlet?

A 2 H2 + O2 → 2 H2O egyenletben a 2 : 1 : 2 arány részecskeszám- és anyagmennyiség-arány. Két hidrogénmolekula egy oxigénmolekulával két vízmolekulát ad; ugyanígy 2 mol hidrogén 1 mol oxigénnel 2 mol vizet ad. Az együtthatók nem tömegarányt jelentenek. A reakcióegyenlet rendezésekor kizárólag az anyagok elé írt együtthatókat módosíthatod, a képletek alsó indexeit nem.

Miért a mól számít a reakcióegyenletben?

Miért a mól számít a reakcióegyenletben?Két mol hidrogén és egy mol oxigén két mol vizet ad. Ez 4 gramm hidrogént, 32 gramm oxigént és 36 gramm vizet jelent. A sztöchiometriai arány nem a tömegek aránya.A rendezett egyenlet részecske- és mólarányt adHidrogén2 H22 mol H24 g H2OxigénO21 mol O232 g O2Víz2 H2O2 mol H2O36 g H2O+→Mólarány: 2 : 1 : 2Tömegek: 4 g + 32 g = 36 g
Adattáblázat megtekintése
AnyagEgyenleti együttható és anyagmennyiségTömeg
Hidrogén2 mol4 g
Oxigén1 mol32 g
Víz2 mol36 g
A 2 : 1 : 2 arány a molekulákra és a molokra vonatkozik. A tömegek 4 : 32 : 36 arányúak, mert a részecskék moláris tömege különböző.
Példa: 1,0 mol oxigénhez miért 4,0 g hidrogén kell?
  1. Írd fel: 2 H2 + O2 → 2 H2O. Egy mol O2-höz 2 mol H2 kell.
  2. A hidrogén moláris tömege 2,0 gmol, így 2,0 mol hidrogén tömege 4,0 g. Az oxigéné 32 gmol, ezért 1,0 mol oxigén tömege 32 g.
  3. 2,0 mol víz tömege 36 g. Ellenőrzés: 4,0 g + 32 g = 36 g. A 2 : 1 : 2 mólarány és a 4 : 32 : 36 tömegarány egyszerre helyes.

Három biztos lépés a reakciószámításban

  1. Rendezd az egyenletet. Azonos számú atom szerepeljen a két oldalon.

  2. Válts mólra. Tömegből a moláris tömeggel számolsz; oldatnál a koncentráció és a térfogat adhatja az anyagmennyiséget.

  3. Használd az együtthatók arányát, majd válts vissza a kérdezett tömegre, térfogatra vagy koncentrációra.

A jelölések itt egyszerűek: m = tömeg, M = moláris tömeg, n = anyagmennyiség. A reakció együtthatóit mindig a konkrét egyenletből olvasd le; nincs szükség külön görög betűre.

Tömeg átváltása anyagmennyiséggé

n = mM

Kidolgozott példa: 4,80 g magnézium elégetése
  1. Rendezett egyenlet: 2 Mg + O2 → 2 MgO.
  2. M(Mg) = 24,0 gmol. A 4,80 g magnéziumot elosztva ezzel a moláris tömeggel n(Mg) = 0,200 mol.
  3. Az egyenletben Mg : MgO = 2 : 2, tehát n(MgO) = 0,200 mol.
  4. M(MgO) = 40,0 gmol; m(MgO) = 0,200 mol · 40,0 gmol = 8,00 g.
  5. Ellenőrzés: 0,100 mol O2 fogy, ez 3,20 g; 4,80 + 3,20 = 8,00 g.

Összegképlet meghatározása mért tömegekből

A képlet alsó indexe atomarány. A különböző elemek tömegét ezért előbb külön-külön mólra kell váltani. Oszd el az így kapott értékeket a legkisebbel, majd keresd a legkisebb egész számú arányt. Ez a tapasztalati képlet. A molekulaképlethez még a vegyület valódi moláris tömege is szükséges.

Példa: tapasztalati képletből molekulaképlet

Egy 9,00 g-os vegyületmintában 3,60 g C, 0,600 g H és 4,80 g O van. A vegyület moláris tömege 180 gmol. Minden tömeget a megfelelő moláris tömeggel osztunk: C: 12,0 gmol; H: 1,00 gmol; O: 16,0 gmol.

ElemTömegAnyagmennyiségArány 0,300 molhoz képest
C3,60 g0,300 mol1
H0,600 g0,600 mol2
O4,80 g0,300 mol1

A tapasztalati képlet CH2O, amelynek moláris tömege 30,0 gmol. A megadott 180 gmol ennek hatszorosa, ezért a molekulaképlet C6H12O6. Ellenőrzés: 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180.

A tapasztalati képlet legkisebb atomarányát a moláris tömeghez illeszkedő egész számmal szorozzuk

A tapasztalati képlet legkisebb atomarányát a moláris tömeghez illeszkedő egész számmal szorozzukAz eredeti példában a szén, hidrogén és oxigén anyagmennyisége 0,300 : 0,600 : 0,300 mol, azaz 1 : 2 : 1. A tapasztalati képlet CH_{2}O, ennek képlet szerinti moláris tömege 30,0 g/mol. A vegyület megadott moláris tömege 180 g/mol, ezért a legkisebb arány hatszorosa szerepel a molekulában. Minden indexet ugyanazzal a 6-os számmal szorzunk: C_{6}H_{12}O_{6}. Ez molekulaképletet ad; önmagában nem bizonyítja, hogy a vegyület glükóz, és nem határozza meg az atomok kapcsolódását. Ionvegyületnél a képlet összetételi arányt jelöl; nem beszélünk elkülönült sómolekuláról.Arányképletből molekulaképletAtomarányC : H : O = 1 : 2 : 1Tömegből előbb molokra váltunk.Tapasztalati képletCH2OMtapasztalati = 30,0 g/molMolekulaképletC6H12O6M = 180 g/mol180 / 30,0 = 6 → minden index · 6A szerkezeti képlet ebből még nem ismert.
Adattáblázat megtekintése
LépésEredmény
Tapasztalati képletCH2O
A képlet moláris tömege30,0 gmol
Megadott molekulamoláris tömeg180 gmol
Szorzó6
MolekulaképletC6H12O6
Az eredeti példában a szén, hidrogén és oxigén anyagmennyisége 0,300 : 0,600 : 0,300 mol, azaz 1 : 2 : 1. A tapasztalati képlet CH2O, ennek képlet szerinti moláris tömege 30,0 gmol. A vegyület megadott moláris tömege 180 gmol, ezért a legkisebb arány hatszorosa szerepel a molekulában. Minden indexet ugyanazzal a 6-os számmal szorzunk: C6H12O6. Ez molekulaképletet ad; önmagában nem bizonyítja, hogy a vegyület glükóz, és nem határozza meg az atomok kapcsolódását. Ionvegyületnél a képlet összetételi arányt jelöl; nem beszélünk elkülönült sómolekuláról.

Összegképletből tömegszázalék: Ca(NO3)2

Elem

Egy mol sóban az atomok molja

Tömeg egy mol sóban

Tömegszázalék

Ca

1 mol

40,0 g

40,0164 · 100 ≈ 24,4%

N

2 mol

28,0 g

28,0164 · 100 ≈ 17,1%

O

6 mol

96,0 g

96,0164 · 100 ≈ 58,5%

A képlet indexeit minden atomra alkalmazzuk

M[Ca(NO3)2] = 40,0 + 2 · 14,0 + 6 · 16,0 = 164 gmol. A zárójel utáni 2 az egész nitrátcsoportra vonatkozik, így két N és hat O jut egy Ca-ra. Egy mol sóban a három elem együtt 164 g tömeget ad. Bármely elem tömegszázaléka az elem hozzájárulása osztva a teljes képlet moláris tömegével, szorozva 100-zal. A három kerekített százalék összege 100,0%.

Kidolgozott példa: Molekulaképlet százalékos összetételből

Feladat: Egy C-, H- és O-tartalmú vegyület tömegszázalékai 40,0% C, 6,67% H és 53,33% O.
Moláris tömege 60,0 gmol.
A feladatban Ar(C) = 12,0;
Ar(H) = 1,00;
Ar(O) = 16,0.

Válassz 100 g-os számítási alapot: 40,0 g C, 6,67 g H, 53,33 g O.
Ez csak a százalékok kényelmes felhasználása;
az atomarány nem függ a választott mintamérettől.

Az anyagmennyiségek rendre 40,012,0 ≈ 3,33 mol, 6,671,00 = 6,67 mol és 53,3316,0 ≈ 3,33 mol.
A legkisebb értékkel osztva 1 : 2 : 1 adódik a megadott százalékok kerekítési pontosságán belül.

A tapasztalati képlet CH2O, képlet szerinti moláris tömege 30,0 gmol.
A szorzó 60,030,0 = 2, ezért C2H4O2 a molekulaképlet.

A molekulaképletnek megfelel például ecetsav és metil-formiát is.
A szerkezeti képlet kiválasztásához további tulajdonság vagy reakcióadat szükséges.

Ha két kiindulási anyag is adott

Mindkettőt váltsd át mólra, majd kérdezd meg: az egyik teljes elfogyásához mennyi kellene a másikból? Amelyik előbb elfogy, a korlátozó reagens; csak ebből számolható a legnagyobb termékmennyiség. A feleslegben maradó anyagot külön add meg, ha kérdezik.

Példa: melyik fogy el, és mennyi víz keletkezik?
  1. 6,0 g H2 és 16,0 g O2 reagálhat. A hidrogén moláris tömege 2,0 gmol: 6,0 g tehát 3,0 mol. Az oxigéné 32,0 gmol: 16,0 g tehát 0,500 mol.
  2. Az egyenlet 2 H2 + O2 → 2 H2O. A 0,500 mol O2-höz 1,00 mol H2 kell. Van 3,0 mol, tehát az oxigén fogy el.
  3. 0,500 mol O2-ből 1,00 mol H2O, azaz 18,0 g víz keletkezik. 2,0 mol H2, vagyis 4,0 g hidrogén marad.
  4. Tömegmérleg: 6,0 + 16,0 = 18,0 + 4,0 g.

A korlátozó reagenst a két kiindulási anyagból külön számított lehetséges termékmennyiség alapján választjuk ki

A korlátozó reagenst a két kiindulási anyagból külön számított lehetséges termékmennyiség alapján választjuk kiA hidrogén és víz együtthatója egyaránt 2, ezért 3,00 mol hidrogén legfeljebb 3,00 mol vizet adhatna elegendő oxigén mellett. A 0,500 mol oxigénből azonban csak 1,00 mol víz készülhet, így az oxigén a korlátozó reagens. A kisebb lehetséges termékmennyiség a tényleges elméleti határ. A sávok hossza a külön számított vízanyagmennyiséget jelöli; nem a gázok tömegét vagy térfogatát. A reakcióhoz 1,00 mol H_{2} fogy el, 2,00 mol H_{2} marad. A mintában több mólban jelen lévő vagy nagyobb tömegű anyag sem feltétlenül a korlátozó reagens: mindig az egyenlet arányával számolunk.A kisebb termékmennyiség a határ2 H2 + O2 → 2 H2OA hidrogénből számolva3,00 mol H23,00 mol H2O lehetneAz oxigénből számolva0,500 mol O21,00 mol H2O lehetneLegfeljebb 1,00 mol H2OAz O2 a korlátozó reagens.H2-maradék: 2,00 mol
Adattáblázat megtekintése
Kiindulási adat vagy kérdésEredmény
3,00 mol H2Legfeljebb 3,00 mol H2O
0,500 mol O2Legfeljebb 1,00 mol H2O
Korlátozó reagensO2
Elméleti termék1,00 mol H2O
Maradék H22,00 mol
A hidrogén és víz együtthatója egyaránt 2, ezért 3,00 mol hidrogén legfeljebb 3,00 mol vizet adhatna elegendő oxigén mellett. A 0,500 mol oxigénből azonban csak 1,00 mol víz készülhet, így az oxigén a korlátozó reagens. A kisebb lehetséges termékmennyiség a tényleges elméleti határ. A sávok hossza a külön számított vízanyagmennyiséget jelöli; nem a gázok tömegét vagy térfogatát. A reakcióhoz 1,00 mol H2 fogy el, 2,00 mol H2 marad. A mintában több mólban jelen lévő vagy nagyobb tömegű anyag sem feltétlenül a korlátozó reagens: mindig az egyenlet arányával számolunk.

Tisztaság és hozam: két külön kérdés

Tisztaság: a kiindulási minta hány százaléka a reagáló anyag? Ezt még a mólszámítás előtt veszed figyelembe. Hozam: a reakcióegyenletből számított legnagyobb termékmennyiség hány százaléka keletkezett ténylegesen? Ezt a termék kiszámítása után alkalmazod. A két százalékot nem szabad összekeverni.

Termelési százalék

mténylegesmelméleti · 100%

Kidolgozott példa: mészkő bontása tisztasággal és hozammal
  1. 25,0 g mészkő 80,0 tömeg%-a CaCO3, tehát 20,0 g tiszta CaCO3 van benne.
  2. CaCO3 → CaO + CO2. M(CaCO3) = 100 gmol, ezért 20,0 g = 0,200 mol. A mólarány 1 : 1, így legfeljebb 0,200 mol CO2 képződhet.
  3. M(CO2) = 44,0 gmol; az elméleti gáztermék 8,80 g.
  4. Ha a termelés 75,0%-os, a tényleges CO2 tömege 8,80 · 0,750 = 6,60 g.

A tisztaságot a reakciószámítás előtt, a termelési százalékot az elméleti termék után alkalmazzuk

A tisztaságot a reakciószámítás előtt, a termelési százalékot az elméleti termék után alkalmazzukA 25,0 g mészkőminta 80,0 tömeg%-a CaCO_{3}, így a reagáló anyag tömege 20,0 g. A szennyeződés a feladat szerint nem ad CO_{2}-t ebben a reakcióban. M(CaCO_{3}) = 100 g/mol mellett 0,200 mol karbonátból elméletileg 0,200 mol, azaz 8,80 g CO_{2} keletkezhet. A megadott 75,0%-os termelés ennek 0,750-szerese, 6,60 g. Az eltérő anyagok tömegei közötti 20,0 g → 8,80 g kapcsolatot a reakcióegyenlet és moláris tömegek adják, nem egy önkényes százalék. A hozam csökkenése lehet hiányos átalakulás vagy termékveszteség következménye; pusztán a hozamból a maradékok összetétele nem dönthető el.Tisztaság, reakcióarány, hozamMészkőminta25,0 g80,0% CaCO3-tartalom20,0 g CaCO3Elméleti CO28,80 g75,0% termelés6,60 g CO2CaCO3 → CaO + CO2· 0,750A két százalék más kérdésre válaszol.
Adattáblázat megtekintése
LépésTömeg
Minta25,0 g
Tiszta CaCO320,0 g
Elméleti CO28,80 g
Ténylegesen nyert CO26,60 g
A 25,0 g mészkőminta 80,0 tömeg%-a CaCO3, így a reagáló anyag tömege 20,0 g. A szennyeződés a feladat szerint nem ad CO2-t ebben a reakcióban. M(CaCO3) = 100 gmol mellett 0,200 mol karbonátból elméletileg 0,200 mol, azaz 8,80 g CO2 keletkezhet. A megadott 75,0%-os termelés ennek 0,750-szerese, 6,60 g. Az eltérő anyagok tömegei közötti 20,0 g → 8,80 g kapcsolatot a reakcióegyenlet és moláris tömegek adják, nem egy önkényes százalék. A hozam csökkenése lehet hiányos átalakulás vagy termékveszteség következménye; pusztán a hozamból a maradékok összetétele nem dönthető el.
Kidolgozott példa: Oldatkoncentráció és reakcióarány

Feladat: Mennyi 0,500 moldm3 HCl-oldat reagál teljesen 0,0100 mol CaCO3-tal?
Az egyenlet: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O.

A CaCO3 : HCl molarány 1 : 2, ezért n(HCl) = 2 · 0,0100 = 0,0200 mol.

V(oldat) = nc = 0,02000,500 = 0,0400 dm3.
Ez a HCl-oldat térfogata, nem a hidrogén-klorid gázé.

0,0100 mol CO2 képződik.
Ha a feladat 24,5 dm3mol értéket ad a száraz gáz mérési állapotára, annak térfogata 0,245 dm3.
A teljesen oldatban maradó vagy kiszökő gáz mennyiségét a feladat mérési feltételei alapján kell kezelni.

Egymást követő reakciók

Az első reakció ténylegesen képződött terméke lesz a második kiindulási anyaga. Minden lépéshez külön rendezett egyenletet írj. A százalékos hozamot mindig ahhoz a lépéshez rendeld, amelyre a feladat megadja.

Példa: CaCO3-ból két reakcióban Ca(OH)2

CaCO3 → CaO + CO2, majd CaO + H2O → Ca(OH)2. A két egyenletben végig 1 : 1 a megfelelő mólarány. Ha 1,00 mol tiszta CaCO3-ból indulunk, és mindkét reakció külön-külön 80,0%-os hozamú, az első lépés 0,800 mol CaO-t ad. A másodikban ebből 0,800 · 0,800 = 0,640 mol Ca(OH)2 képződik. A két százalék szorzódik; nem adódik össze.

Redoxegyenlet: előbb azt nézd, mi változik

Az oxidációs szám segít követni az elektronátadást. A szabad elemé 0; az oxigéné a legtöbb vegyületben −2; egy semleges vegyület atomjainak oxidációsszám-összege 0. Ha egy atom oxidációs száma nő, oxidálódik és elektront ad le. Ha csökken, redukálódik és elektront vesz fel. Középszinten is fontos felismerni a változást és ellenőrizni a rendezett egyenlet atomjait. Az oxidációs számok alapján történő rendezés részletes módszere emelt szintű kiegészítés.

Példa: mi oxidálódik a vas-oxid redukciójában?

Fe2O3 + CO → Fe + CO2. A Fe2O3-ban három oxigén együttes oxidációs száma −6, így a két vasé együtt +6, egy vasé +3. Az elemi vasé 0: a vas redukálódik. A CO-ban a széné +2; a CO2-ban +4: a szén oxidálódik. Az oxigén mindkét vegyületben −2 marad.

Felidéző gyakorlás

A 2 H2 + O2 → 2 H2O reakcióhoz 3,0 mol H2 és 1,0 mol O2 áll rendelkezésre. Mennyi víz képződhet?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Középszintű érettségi mintafeladat

12,0 g magnéziumot 4,00 g oxigénnel reagáltatunk; a reakciót az oxigén teljes elfogyásáig végezzük. M(Mg) = 24,0 gmol; M(O2) = 32,0 gmol; M(MgO) = 40,0 gmol. 10 pont.

  1. Írd fel és rendezd a reakcióegyenletet. (2 pont)
  2. Számítsd ki a két kiindulási anyag anyagmennyiségét. (2 pont)
  3. Azonosítsd a korlátozó reagenst, és indokold. (2 pont)
  4. Mekkora tömegű MgO keletkezik, és mennyi a megmaradó magnézium tömege? (4 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
  1. 2 Mg + O2 → 2 MgO: helyes képletek (1 pont), helyes rendezés (1 pont).
  2. A magnézium 12,0 g-os tömegét 24,0 gmol-lal osztva n(Mg) = 0,500 mol (1 pont);
    az oxigén 4,00 g-os tömegét 32,0 gmol-lal osztva n(O2) = 0,125 mol (1 pont).
  3. 0,125 mol O2-höz 0,250 mol Mg szükséges (1 pont);
    ezért az oxigén a korlátozó reagens, a magnézium feleslegben van (1 pont).
  4. 0,250 mol MgO keletkezik (1 pont), tömege 0,250 · 40,0 = 10,0 g (1 pont).
    A magnézium maradéka 0,500 − 0,250 = 0,250 mol, azaz 6,00 g (1 pont);
    ellenőrzés: 12,0 + 4,00 = 10,0 + 6,00 g (1 pont).

Összesen: 10 pont.

Mit kér ebből az érettségi?

Középszint: a tapasztalati és molekulaképlet különbsége; a képlet és tömegszázalék kapcsolata; molekulaképlet meghatározása összetételből és moláris tömegből. A kémiai egyenlet jelentése és használata sztöchiometriai számításban; oldatösszetétel, termelési százalék és szennyezettség alkalmazása.

Emelt többlet az OH 4.4-ben: porkeverékek, gázelegyek, szerves és szervetlen vegyületek összetételének vagy képletének meghatározása reakcióegyenlet alapján. Az oxidációs számmal történő redoxrendezés a Redoxireakciók (1.5.5) jegyzethez is kapcsolódik. A képletből adódó atom-, tömeg- és töltésmérleget minden szinten ellenőrizd.

Tankönyvi és követelménybeli forrás

Tankönyv: Kémia 9–10., I. kötet, 76–79. nyomtatott oldal, a sztöchiometriai számítások alapjainak 16. leckéje. Követelmény: OH 4.4, 80. PDF-oldal, a redoxrendezéshez az 1.5.4.2 pont. Az új feladatok, ábrák és adatok saját számítási szemléltetések.

Források: Oktatási Hivatal: kémiaérettségi vizsgakövetelmények (4.4 és 1.5.4.2); Royal Society of Chemistry: a mól tanítása. Az ábrák, az animáció és a számpéldák saját szerkesztésűek.