II. Stoichiometrie · Examenstof Hoofdstuk 2 2 belangrijke vaardigheden ... •berekenen...
Transcript of II. Stoichiometrie · Examenstof Hoofdstuk 2 2 belangrijke vaardigheden ... •berekenen...
1
II. Stoichiometrie
Academiejaar 2013-2014
2Examenstof Hoofdstuk 2belangrijke 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
3
Stoichiometrie van verbindingen
4
MMAMn
MMNAMN
mm ii
verb
ii
verb
ii,m
×=
××
==γ
MMAMn100
mm100i m% ii
ii
i ××=
∑×=
•Voor elk element i in een verbinding geldt:
•Voor elke verbinding i in een mengsel geldt:
verbi,mi mm ×γ=⇒
∑==γ
ii
i
mengsel
ii,m m
mm
mmengseli,mi mm ×γ=⇒
5
Bepaal de massafractie C en H in caffeïne(C8H10N4O2).
Bepaal het m% N en het m% O in caffeïne.
NN
NN
O
O
Voorbeeld 1
element m%C 49.48H 5.15N 28.87O 16.49
6
7
C/H-verbinding + O2 → CO2, H2O, O2, overmaat...
afgewogen hoeveelheid onbekende verbinding
formule verbinding
⇒ massa CO2 en H2O gevormd bij verbranding?
Volledige verbranding = reactie met zuurstof waarbij CO2 en H2O gevormd worden
Bepaling formule onbekende verbindingHoeveel atomen van welke elementen zijn
er in de verbinding?
Zie p II-2
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.
4375.0H
C
H
C HCHC75.0NN
nn
⇒⇒==
129HC3FMMMnFMnMM ⇒==⇒×=
10
Cmg7636.42OCg44Cg12 COmg8.156
22 =×
Hmg7556.4OHg81
Hg2 OH gm8.242
2 =×
massa mi mol i nC/nH
CO2 156.8 mg C: 42.7636 mg C: 3.5640.75
H2O 42.8 mg H: 4.7556 mg H: 4.756
•Methode 1: bruikbaar voor CxHy
Empirische formule cumeen: C0.75H ⇒ C3H4
•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand
•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand
11
Cmg7636.42OCg44Cg12 COmg8.156
22 =×
Hmg7556.4OHg81
Hg2 OH gm8.242
2 =×
9000.0cumeenmg515.47
Cmg7636.42m
m
cumeen
CC,m ===γ
•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand
•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand
•massafractie C en H in cumeen
1000.0cumeenmg515.47
Hmg7556.4m
mcumeen
HH,m ===γ
•Methode 2: algemeen bruikbaar
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
3g40g120
FMMMn
43HC
cumeen ===
⇒ Moleculaire formule cumeen: C9H12
FMnMM ×=
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
16Types chemische reacties•gasfasereactie
•verbrandingsreactie
•neerslagreactie (precipitatiereactie)
•neutralisatiereactie
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O( )
C2H6(g) → H2(g) + C2H4(g)
K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)
zuur + base → zout + water
•gasvormende reactieKClO3(v) → KCl(v) + O2(g)
2 HNO3(aq) + Ba(OH)2(aq) → Ba(NO3)2(aq) + 2 H2O( )
Zie ook p II-2
17
a A + b B → c C + d D
mA
nA
mB
nB
A
AA MM
mn = BBB MMnm ×=
abnn AB ×=
mC
nc
CCC MMnm ×=acnn AC ×=
Massa’s reactanten en producten
Zie p II-15
18
Voorbeeld 2
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.
Zie p II-20
o,2OH Hmol/mol27.0Y 22
=
omgezet,2OH Hmol/mol67.0S 2
= o,2OH Hmol/mol55.0Y 2
=
omgezet,2OH Hmol/mol33.0S 22
=82.0X 2H =
60.0X 2O =
19
20
a A + b B → c C + d D
VA
nA
VB
nB
A
AA V
cn =B
BB c
nV =
abnn AB ×=
cC
nc
BA
CC VV
nC+
=acnn AC ×=
Volumes reactanten en producten
Zie p II-23
21Verdunnen van een oplossingaantal mol opgeloste stof n blijft constant bij verdunning
ff,ioo,ii VcVcn ×=×=
Vnc i
i =
f
io,if,i V
Vcc ×=
Zie p II-21
22
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) .
Voorbeeld 3
M1092.1c 4)NH( 4
−×=+
23
6
5
4
3
2
1o,SO)NH()NH( V
VVV
VVc2c
4244××××=+
m50m1
m10m1
m250m40mol3.02c )NH( 4
××××=+
M1092.1c 4)NH( 4
−×=+
24
Dissociatie in waterige oplossingen: elektrolyten en niet-elektrolyten
Zie p II-12
25
Geleidbaarheid in waterige oplossing
solvatatie ionen in water
•oplossing: ionen zijn beweeglijk
⇒ ionen zijn ladingsdragers
⇒ geleidbaarheid
anode katode
26Reactievergelijkingen in waterige oplossing•Moleculaire reactievergelijking
bij oplossen in water splitsen ionaire verbindingen in ionen
K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)
neerslag waterige oplossing
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
spectatorionen zijn niet rechtstreeks betrokken in reactie
netto-ionaire reactievergelijking: Ag+(aq) + Cl−(aq) → AgCl (v)
spectatorionen zijn wel van belang voor stoichiometrische berekeningen
AgNO3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (v) + NaNO3 (aq)
1 mol CuCl2(aq) = 1 mol Cu2+(aq) + 2 mol Cl−(aq)
1 mol AgCl(aq) = 1 mol Ag+(aq) + 1 mol Cl−(aq)
28
AnionOplosbaar
(> 10 g/l)
Matig oplosbaar
(0.1 tot 10 g/l)
Onoplosbaar
(< 0.1 g/l)
Nitraat (NO3-) Alle
Acetaat (CH3COO-) Meeste Be(CH3COO)2
Chloraat (ClO3-) Alle
Perchloraat (ClO4-) Meeste KClO4
Fluoride (F-) Groep I, AgF, BeF2 SrF2, BaF2, PbF2 MgF2, CaF2
Chloride (Cl-) Meeste PbCl2 AgCl, Hg2Cl2Bromide (Br-) Meeste PbBr2, HgBr2 AgBr, Hg2Br2
Jodide (I-) Meeste AgI, Hg2I2, PbI2, HgI2Sulfaat (SO4
2-) Meeste CaSO4, Ag2SO4, Hg2SO4 SrSO4, BaSO4, PbSO4
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 Sr(OH)2, Ca(OH)2 MeesteTabel 2.4 (p II-14); bijlage 5
Neerslagreacties
29
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.
Voorbeeld 4
M033.0c3IO
=−
M056.0c3NO
=−
M089.0cNa =+
g39.1m23 )IO(Pb =
30
•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 bevat
mol105.2m50m101
mol05.0VMn 33)NO(Pb 23
−×=××
=×=
mol105.2nn 3)NO(PbPb 232
−×==+
mol105n2n 3)NO(PbNO 233
−×=×=−
•40 ml 0.2 M NaIO3 bevat
mol108m40m101
mol2.0VMn 33NaIO3
−×=××
=×=
mol108nn 3NaIONa 3
−×==+
mol108nn 3NaIOIO 33
−×==−
31
Pb2+(aq) + 2 NO3
−(aq) + 2 Na+
(aq) + 2 IO3−(aq) → Pb(IO3)2(v) + 2 Na+
(aq) + 2 NO3−
(aq)
stoichiometrische verhouding
12
Pbmol1IOmol2
23 =
+
−
actuele verhouding
12.3
Pbmol105.2IOmol108
233
3=
×
×+−
−−
•mol Pb(IO3)2 dat neerslaat = mol Pb2+ gereageerd
g39.1mol
g557mol105.2m 3)IO(Pb 23
=××= −
•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 + 40 ml 0.2 M NaIO3
−−+
−+− ×=×× 3
32323 IOmol105
Pbmol1IOmol2Pbmol105.2
•2.5 × 10-3 mol Pb2+ reageert met
•massa van het gevormde lood(II)jodaatneerslag
32
•90 ml oplossing bevat
mol103mol105mol108n 333IO3
−−− ×=×−×=−
mol105n 3NO3
−×=−
mol108n 3Na
−×=+
M033.01090
mol103VnM 3
3
IO3=
×
×==
−
−−
M056.01090
mol105VnM 3
3
NO3=
×
×==
−
−−
M089.01090
mol108VnM 3
3
Na =×
×==
−
−+
33
Gasmengsels: definities
HII: p. II-24-27
34
Gasmengsels: partieeldruk pi
V
RTnp P i
i
iitot
∑∑ ==
∑=i
itot n n
tot
ii n
n =γmolfractie i:
35
tot
ii P
RTnV =tot
ii
iitot P
RTnV V
∑=∑=
100VV vol%tot
ii ×=
Vn c i
i = ∑=i
itot cRT P
V
RTnp P i
i
iitot
∑∑ ==
itot
ii %vol100
nn%mol =×=
geldt enkel voor gasmengsels
molfractie i
36
luchtverbinding vol% m%
N2 78.08 75.52O2 20.95 23.14Ar 0.93 1.29
CO2 0.036 0.05Ne 1.82×10−3 1.27×10−3
He 5.24×10−4 7.24×10−5
CH4 1.7×10−4 9.4×10−5
Kr 1.14×10−4 3.3×10−4
Omrekenen vol% naar m%
zie Minerva/documenten/handouts
37
STP (Standard conditions of Temperature and Pressure)
Normaalomstandigheden temperatuur en druk: T = 0°C, P = 1 bar
!!!!LET OP: normaalomstandigheden ≠ TD standaardcondities
zie H9
38
Voorbeeld 5
Een vat van 5.00 liter bevat 32.1 gram van een gas bij 25°C en een druk 2.45 atm. Welkgas is er aanwezig in het vat?
a. Cl2b. F2
c. NO2
d. SO2
SO2
HII: p. II-24
39
PVRTmMM
RTPV
MMmn X
XX
XX =⇒==
molg1.64
00.5atm45.2
K15.298Kmol
atm08206.0g1.32MMX =
×
××=
X = SO2
40
RedoxreactiesIn evenwicht brengen redoxreacties:
enkel halfreactiemethode is examenstof
oxidatiegetalmethode wordt NIET GEVRAAGD en
OOK NIET GEBRUIKT op examen
41
eBA+
A e B+
reductans oxidans
A wordt geoxideerd
en staat elektronen af
B wordt gereduceerd
en neemt elektronen op
Redoxreactie: oxidatie/reductie
•Oxidatie: produceert elektronen
•Reductie: verbruikt elektronen
42
Fe(v) + Cu2+(aq) + SO4
2-(aq) Cu(v) + Fe2+
(aq) + SO42-
(aq)
− 2e ⇒Fe: reductans
+ 2e ⇒Cu: oxidans
43
Redoxkoppel: oxidans/reductans
reductie:
−+ +→ e2eFeF )aq(2
)s(
(s))aq(2 uCe2Cu →+ −+
oxidatie:
CuFe2+
Fe Cu2+
reductans oxidans
Fe wordt geoxideerd
en staat elektronen af
Cu2+ wordt gereduceerd
en neemt elektronen op
ee
ee
•Reductans: reduceert het oxidans
•Oxidans: oxideert het reductans
•Redoxkoppels: ox/red
Cu2+/CuFe2+/Fe
44
Breng de volgende reactie in evenwicht in basisch milieu (gebruik de halfreactiemethode)
Studie-opgave 20c
−− +→+ )aq()aq(3)aq(2)aq(2 Cl2)OH(CoHOCoCl
−−− +→+++ )aq()aq(3)(2)aq(2)aq(2 Cl4)OH(Co2HO3OHHOCoCl2
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 bestuurderdoorheen een ampule die kaliumdichromaat in zwavelzuurbevat. 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 Cr3+oplossing van
dichromaatanionen
OH11SOK2)SO(Cr2COOHCH3SOH8OCrK2OHCHCH3 24234234272223 +++→++
47