Kemiallinen reaktio

ja reaktioyhtälö

KE4: Kemiallinen reaktio

Kemiallinen reaktio

Sidos 4: Luvut 1-2

Keskeiset asiat:

  • kemiallinen reaktio

  • lähtöaineet ja reaktiotuotteet

  • havainnot

  • törmäysteoria

  • ekso- ja endoterminen reaktio

  • reaktioyhtälön kirjoittaminen

  • reaktioyhtälön tasapainottaminen

  • aineen häviämättömyyden laki

Kemiallinen reaktio

  • Kemiallisessa reaktiossa
    • sidoksia katkeaa ja uusia muodostuu
    • uusia aineita syntyy
    • tapahtuu energiamuutoksia
      • Eksoterminen reaktio: energiaa vapauttava reaktio
      • Endoterminen reaktio: energiaa sitova reaktio
  • voidaan havaita
    • värin tai olomuodon muutoksesta
    • happamuuden muutoksesta
    • lämpötilan muutoksesta
    • hajusta
    • äänestä
    • valosta.

Jotta kemiallinen reaktio voi tapahtua, reagoivien aineiden on törmättävä

  • oikeasta suunnasta
  • riittävällä suurella nopeudella

Törmäysteoria

Reaktioyhtälö

  • lähtöaineet → reaktiotuotteet
  • lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden olomuoto merkitään sulkuihin aineen perään
    • ​​metallit kiinteitä (s), paitsi elohopea Hg on neste (l)
    • kaksiatomiset molekyylit H2, O2, N2, F2 ja Cl2 kaasuja (g), mutta bromi Br2 on neste (l) ja jodi I2 on kiinteä (s)
    • ioniyhdisteet yleensä kiinteitä (s) tai vesiliuoksissa (aq)
    • hapot yleensä vesiliuoksissa (aq)
    • vesi yleensä nesteenä (l), palamisreaktion tuotteena kaasuna (g), eikä sitä koskaan merkitä vesiliuoksena.
  • reaktionuolen ylä- ja alapuolelle voidaan lisätä tietoja reaktio-olosuhteista

Aineen häviämättömyyden laki

  • Lähtöaineissa ja reaktiotuotteissa on aina yhtä monta saman alkuaineen atomia
  • Lähtöaineiden yhteenlaskettu massa on sama kuin tuotteiden massa
  • Aineiden määrät tasapainotetaan reaktioyhtälön kertoimien avulla

Esimerkki

Kiinteää kaliumia sekoitetaan veteen. Reaktiossa muodostuu veteen liukenevaa kaliumhydroksidia ja vetykaasua.

K(s)

\mathrm{H_2O(l)}
\mathrm{KOH(aq)}
\mathrm{H_2(g)}

+

+

K

H

O

1

1

2

3

1

1

4

2

2

2

4

2

2

2

2

Kirjoita reaktioyhtälö ja tasapainota se.

Kertoimet ovat aina kokonaislukuja!

Reaktio-yhtälön käyttö laskuissa

Sidos 4: Luvut 3-4

Keskeiset asiat:

  • stoikiometria

  • teoreettinen saanto

  • todellinen saanto

  • saantoprosentti

  • reaktion rajoittava tekijä

Stoikiometriassa käytetään hyödyksi tasapainotettua reaktioyhtälöä, kun lasketaan lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden määriä.

Esimerkki

4,0 moolia alumiinia reagoi kloorin kanssa muodostaen alumiinikloridia.

a) Kuinka paljon tuotetta muodostuu täydellisessä reaktiossa?

b) Kuinka paljon klooria tarvitaan, jotta kaikki alumiini reagoisi?

\mathrm{Al(s)}+
\mathrm{Cl_2(g)}\rightarrow
\mathrm{AlCl_3(s)}
2
2
3

a) Reaktioyhtälön mukaan n(Al)=\(\mathrm{n(AlCl_3})\).

\(\mathrm{n(Al)=n(AlCl_3)=4{,}0\ mol}\)

Vastaus: Klooria tarvitaan 6,0 moolia.

b)

\mathrm{\frac{n(Cl_2)}{n(Al)}}=\frac{3}{2}
\|\cdot \mathrm{n(Al)}
\mathrm{n(Cl_2)=\frac{3}{2}n(Al)}
\mathrm{=\frac{3}{2}\cdot 4{,}0\ mol}
\mathrm{= 6{,}0\ mol}

Vastaus: Tuotetta syntyy 4,0 moolia.

Teoreettinen saanto

se määrä reaktiotuotetta, joka saataisiin, jos kaikki lähtöaine olisi reagoinut tuotteeksi.

Todellinen saanto

se määrä reaktiotuotetta, joka reaktiossa todellisuudessa saadaan

\mathrm{saanto-\%=\frac{todellinen\ saanto}{teoreettinen\ saanto}\cdot100\ \%}

Saantoprosentti

= kuinka monta prosenttia todellinen saanto on teoreettisesta saannosta

Rajoittava tekijä

  • loppuu ensimmäisenä kemiallisessa reaktiossa. Tämän jälkeen reaktiota ei enää tapahdu.
  • määrittää sen, kuinka paljon reaktiotuotteita pystytään valmistamaan.

Jos tehtävän tiedoissa on annettu useamman kuin yhden lähtöaineen massat, täytyy aina tutkia, mikä on reaktion rajoittava tekijä!

2 Na(s) + \(\mathrm{Cl_2(g)}\rightarrow\) 2 NaCl(s)

lähtöaineiden määrät alussa

n = 1,0 mol

n = 1,0 mol

n = ?

n(Na)=2n\(\mathrm{(Cl_2)}\)

reaktiossa kuluva n(Na)=1,0 mol

reaktiossa kuluva n\(\mathrm{(Cl_2)}\)=0,50 mol

klooria jää yli 0,50 mol

ylimäärin

rajoittava tekijä

natrium kuluu kokonaan

reaktiossa muodostuva n(NaCl)=1,0 mol

n(Na)=n(NaCl)

Esimerkki

Kalsiumkarbidia \(\mathrm{CaC_2(s)}\) valmistetaan antamalla kalsiumoksidin CaO(s) ja hiilen C(s) reagoida keskenään korkeassa lämpötilassa. Reaktiossa muodostuu kalsiumkarbidin lisäksi hiilidioksidia \(\mathrm{CO_2(g)}\).

a) Kirjoita reaktioyhtälö ja tasapainota se.

b) Mikä on kalsiumkarbidin teoreettinen saanto, kun käytössä on 4,5 grammaa kalsiumoksidia ja 2,3 grammaa hiiltä?

c) Mikä on reaktion saantoprosentti, kun todellisuudessa kalsiumkarbidia muodostuu 3,8 grammaa?

\mathrm{CaO(s)}+

Ratkaisu:

a)

\mathrm{C(s)}\rightarrow
\mathrm{CaC_2(s)}+
\mathrm{CO_2(g)}
2
2
2\cdot 2
1
5

b) Mikä on kalsiumkarbidin teoreettinen saanto, kun käytössä on 4,5 grammaa kalsiumoksidia ja 2,3 grammaa hiiltä?

Ratkaisu:

m(\mathrm{CaO)=4{,}5\ g}
m(\mathrm{C)=2{,}3\ g}
M(\mathrm{CaO)=56{,}08\ g/mol}
M(\mathrm{C)=12{,}01\ g/mol}
n(\mathrm{CaO)}=\frac{m(\mathrm{CaO})}{M(\mathrm{CaO})}
=\frac{4{,}5\ \mathrm{g}}{56{,}08\ \mathrm{g/mol}}
=0{,}0802...\ \mathrm{mol}
n(\mathrm{C)}=\frac{m(\mathrm{C})}{M(\mathrm{C})}
=\frac{2{,}3\ \mathrm{g}}{12{,}01\ \mathrm{g/mol}}
=0{,}1915...\ \mathrm{mol}
\mathrm{2\ CaO(s)+5\ C(s)\rightarrow 2\ CaC_2(s)+CO_2(g)}

Reaktioyhtälön kerrointen perusteella

\frac{n(\mathrm{CaO})}{n(\mathrm{C})}
=\frac{2}{5}
\|\cdot n(\mathrm{C})
n(\mathrm{CaO})=\frac{2}{5}n(\mathrm{C})
=\frac{2}{5}\cdot 0{,}1915...\ \mathrm{mol}
=0{,}0766...\ \mathrm{mol}
<0{,}0802...\ \mathrm{mol}

Hiili on siis rajoittava tekijä.

Reaktioyhtälön kerrointen perusteella

\(n(\mathrm{CaO})=n(\mathrm{CaC_2)=0,0766...\ mol}\).

M(\mathrm{CaC_2)=64{,}10\ g/mol}
m(\mathrm{CaC_2)}=0,0766...\mathrm{mol}\cdot64{,}10\ \mathrm{g/mol}=4,910...\ \mathrm{g}

Vastaus: Kalsiumkarbidin teoreettinen saanto on 4,9 grammaa.

c) Mikä on reaktion saantoprosentti, kun todellisuudessa kalsiumkarbidia muodostuu 3,8 grammaa?

RATKAISU:

\mathrm{saanto-\%=\frac{todellinen nen\ saanto}{teoreettinen\ saanto}}
\mathrm{=\frac{3{,}8\ g}{4{,}910...\ g}}
=0,\!7738...
\approx 77\ \%

Vastaus: Reaktion saantoprosentti on 77 %.

Kaasulaskut

Sidos 4: Luku 5

Keskeiset asiat:

  • kaasun tilavuus

  • ideaalikaasun tilanyhtälö

  • moolinen kaasuvakio

Ideaalikaasu

Ideaalikaasun ajatellaan koostuvan hiukkasista, jotka

  1. ovat pistemäisiä ja kaikki keskenään samanlaisia
  2. liikkuvat lämpöliikkeen johdosta täysin satunnaisiin suuntiin
  3. törmäilevät toisiinsa kimmoisasti
  4. eivät muodosta keskenään kemiallisia sidoksia
  5. liikkuvat törmäysten välillä tasaisella nopeudella ja suoraviivaisesti
  • teoreettinen malli, jota käytetään selittämään todellisten kaasujen ominaisuuksia
  • todelliset kaasut käyttäytyvät ideaalikaasun tavoin vain hyvin korkeassa lämpötilassa ja alhaisessa paineessa

Ideaalikaasun tilanyhtälö

pV=nRT

p= paine

V = tilavuus

n = ainemäärä

R = moolinen kaasuvakio

T = lämpötila (K)

Kaasuvakio valitaan paineen yksikön mukaan! Tarkista myös, että tilavuuden yksikkö on sama kuin kaasuvakiossa.

Esimerkki

Kemian tunnilla tutkittiin magnesiumin ja suolahapon välistä reaktiota. Opiskelija sai 25 mg magnesiumjauhetta ja dekantterilasin, jossa oli suolahappoliuosta. Kun hän lisäsi magnesiumjauheen dekantterilasiin, reaktio käynnistyi. Reaktiossa vapautui hajutonta, väritöntä ja ilmaa kevyempää kaasua.

a) Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö.

b) Ratkaise muodostuvan kaasun tilavuus, kun \(t=25\ ^\circ\)C ja \(p=1{,}01325\) bar.

Kemiallinen reaktio

By Opetus.tv

Kemiallinen reaktio

  • 139

More from Opetus.tv