Zbirka vaj

iz stehiometrije

Gospodarski inzeniring I

POSLOVNO TEHNISKA FAKULTETA

1

Kazalo

1 Mnozina, stevilo atomov/molekul, formula spojine . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Plinski zakoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Ravnotezne konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4 Raztopine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5 Racunanje pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Energija kemijskih reakcij - Termokemija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7 Redoks reakcije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2

1 Mnozina, stevilo atomov/molekul, formula spojine

Kemijsko reakcijo zapisemo s kemijsko enacbo:

reaktanti produkti- Masa snovi se ne spremeni

- Atomi se preuredijo in pri tem se njihovo stevilo ne spremeni

Kako zapisemo kemijsko enacbo?

- Ugotovimo reaktante in produkte

- Napisemo enacbo

Na+Cl2 NaCl

- Uredimo enacbo: stevilo atomov na desni strani mora biti enako stevilu atomovna levi strani

2 Na+Cl2 2 NaCl

- Reaktanti in produkti so lahko v razlicnih agregatnih stanjih (s, l, g, aq)

- Pri vsaki kemijski reakciji se sprosca ali porablja energija

Vzemimo za primer spodnjo skico. Za izdelavo enega elementa z vsemi elementipotrebujemo natanko 4 vijake, 4 matice in 1 plosco. Ce bi to prevedli v kemijsko enacbo,bi le-ta izgledala takole:

4 vijak+ 4 matica+ 1 plosca 1 elementTukaj se tudi srecamo s pojmoma omejujoci reagent in prebitek. Vzemimo primer,

da imamo na mizi 25 vijakov 5 plosc in 30 matic. Koliko elementov lahko sestavimo?

25 vijakov 6 elementov 30 matic 7 elementov 5 plosc 5 elementov

Tako vidimo, da lahko iz kolicin, ki jih imamo na mizi izdelamo 5 elementov, pri cemerje omejujoci reagent plosca, medtem ko so vijaki in matice v prebitku, najvec pa matice, sajjih je dovolj za se dodatna 2 elementa.

Pri tem nas ni zanimala masa nasih reaktantov, tako si lahko zamislimo, da je ploscasvincena, medtem ko so matice in vijaki aluminjasti. V tem primeru bi nasih 5 plsctehtalo mnogo vec kot 25 vijakov ali 30 matic. Zatorej bi bilo razmisljanje, da lahko napodlagi teze predvidimo, kateri je omejujoc reagent napacno! V kemiji je zadeva enaka:

3

Slika 1: Izmisljena konstrukcija.

najprej moramo maso reaktantov pretvoriti v njihovo mnozino (stevilo njih) in selenato nadaljevati!

In ker v realnem svetu 12 (ducat) atomov ne pomeni dosti - jih ne moremo stehtati- so znanstveniki po dogovoru prisli do druge kolicine: mol = 6.022 1023. To pa jekolicina atomov/molekul/. . . , ki je merljiva in predstavlja tocno 12 g ogljika 12C.

Ravno tako kakor revezi racunajo s centi in bogatasi z milijoni, kemiki racunajo zmoli. Pri vseh pa pomeni enota isto: mnozino (stevilo enot, atomov, evrov,. . . ).

Enota KolicinaPar 2

Ducat 12Gros 144Mol 6.022 1023

Googol 1 10100

1. Amoniak (plin) v reakciji s kisikom pri 1000 C tvori dusikov monoksid in vodnoparo. Napisi urejeno kemijsko reakcijo!

1. Napisi neurejeno kemijsko reakcijo s pravilnimi formulami reaktantov in produk-tov:

NH3(g) +O2(g) NO(g) +H2O(g)2. Uredi atome enega elementa. Vodik ni urejen, ker so tri vodikovi atomi na levi

in dva na desni. Vedno kadar je treba urediti 3 in 2 atome, naredi, da bo na vsakistrani 6 atomov. Zato uporabi koeficient 2 na levi strani in 3 na desni:

2 NH3(g) +O2(g) NO(g) + 3 H2O(g)

4

3. Uredi atome preostalih elementov. Na levi sta 2 dusikova atoma, na desni pa 1,zato ga uredimo tako, da uporabimo koeficient 2 za NO.

2 NH3(g) +O2(g) 2 NO(g) + 3 H2O(g)

4. Sedaj sta 2 kisikova atoma na levi in pet na desni strani enacbe. Uporabi koeficient52 pri molekuli O2:

2 NH3(g) +52

O2(g) 2 NO(g) + 3 H2O(g)

5. Enacba je sedaj urejena, vendar praviloma za koeficiente uporabljamo cela stevila.Zato pomnozimo vse koeficiente z 2:

4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(g)

1. Kaksna mnozina Na2SO4 je v 250 g Na2SO4?M(Na)=22,99 g/molM(S)=32,07 g/molM(O)=16 g/mol

M(Na2SO4) = 2 22, 99+ 32, 07++ 4 16 = 142, 05 = 142g/mol

n(Na2SO4) =m(Na2SO4)M(Na2SO4)

=250g mol

142g=

= 1, 76mol

2. Koliko molekul etanola (C2H5OH) je v 4,2 molih C2H5OH?

N(C2H5OH) = n(C2H5OH) NA == 4, 20 mol 6, 023 1023 delcev/molekul == 2, 53 1024 molekul

3. V 1,261 g neke spojine je 0,624 g ogljika, 0,065 g vodika, 0,364 g dusika, ostalo je kisik.Doloci enostavno formulo spojine!

5

M(C)=12,01 g/molM(H)=1,01 g/molM(N)=14,01 g/molM(O)=16 g/mol

Spojina 1,261 gC 0,642 gH 0,065 gN 0,364 gO X=0,208 g

n(C) =m(C)M(C)

=0, 624g mol

12, 01g= 0, 05196 mol 4

n(H) =m(H)M(H)

=0, 065g mol

1, 01g= 0, 06436 mol 5

n(N) =m(N)M(N)

=0, 364g mol

14, 01g= 0, 06436 mol 2

n(O) =m(O)M(O)

=0, 208g mol

16g= 0, 06436 mol 1

Formula spojine: C4H5N2O.

4. V osemdesetih letih so avstrijski inspektorji v avstrijskih vinih odkrili sledove spojine zmolsko maso 62 g/mol. Masni odstotek ogljika v tej spojini znasa 38,7 %, masni odstotekvodika 9,7 % ostalo je kisik. Napisi molekulsko (pravo) formulo spojine, ki je strupena inpovzroca slepoto, uporablja pa se tudi pri proizvodnji snovi proti zmrzovanju (antifriz)!M(spojine) = 62 g/molw(C) = 38, 7% = 0, 387w(H) = 9, 9% = 0, 097w(O) = 100% 38, 7% 9, 7% = 51, 6% = 0, 516V molekulski formuli imamo vedno molske odnose - odnose med moli!

C : H : O =38, 7

12, 01:

9, 71, 01

:51, 616, 00

=

= 3, 22 : 9, 6 : 3, 22 =

=3, 223, 22

:9, 63, 22

:3, 223, 22

=

= 1 : 3 : 1CH3O

5. Doloci mnogokratno masno razmerje dusika v dusikovem dioksidu (NO2) in didusikovemoksidu (N2O)!Dolocimo masna razmerja med elementoma v obeh spojinah:

NO2 m(N) : m(O) = M(N) : (2 M(O)) == 14, 01 : (2 16, 00) ==

14, 0132

:32, 00

32=

= 0, 4378 : 1

Stevilcne vrednosti v masnem razmerju delimo s stevilom od tistega elementa katerega mnogokratnega

masnega razmerja ne iscemo (ker ne iscemo kisika, delimo s 32).

N2O m(N) : m(O) = 2 M(N) : M(O) == 2 14, 01 : 16, 00 ==

28, 0216

:16, 00

32=

= 1, 1754 : 1

Mnogokratno masno razmerje dusika dobimo tako, da tvorimo razmerje med stevilcnimi vrednostmi,

ki pripadajo dusiku v obeh izracunanih masnih razmerjih.

m(NO2) : m(N2O) = 0, 4378 : 1, 754 =

=0, 43780, 4378

:1, 754

0, 4378= 1 : 4

Delimo z najmanjso stevilko, da dobimo cela stevila.

5. Za pridobivanje titana uporabljamo tako imenovani Kroll-ov postopek. V posebnemreaktorju pri 900 C uvajamo titanov tetraklorid in magnezij. Ker ima magnezij vecjoafiniteto do klora nastajata v reakciji tekoci magnezijev klorid in titan v trdnem agrega-tnem stanju. V reaktor dodamo 200 kg TiCl4 in 20 kg Mg. Izracunaj kateri reaktant nambo ostal nezreagiran in koliko.m(TiCl4) = 200 kgm(Mg) = 20 kgM(TiCl4) = 189, 7 g/molM(Mg) = 24, 3 g/mol

TiCl4(g) +Mg(l) MgCl2(l) + Ti(s)Uredimo enacbo:

7

TiCl4(g)

Mg (l)

MgCl2(l)

Ti (s)

T= 900 C

3 m

5 m

TiCl4(g)

Mg (l)

TiCl4(g) Mg (l)

Slika 2: Skica reaktorja za pridobivanje titana po Kroll-ovem postopku.

TiCl4(g) + 2 Mg(l) 2 MgCl2(l) + Ti(s)Najprej pretvorimo mase reaktantov (kg) v mnozine (mol):

n(TiCl4) =mM

=200.000 g mol

189, 7 g= 1054 mol

n(Mg) =mM

=20.000 g mol

24, 3 g= 823 mol

Iz urejene kemijske enacbe sledi, da reaktanta zreagirata v sledecih razmerjih:

1 mol TiCl4 + 2 mol Mg5 mol TiCl4 + 10 mol Mg20 mol TiCl4 + 40 mol Mg400 mol TiCl4 + 800 mol Mgx mol TiCl4 + 823 mol Mg

Nezreagiran bo torej ostal titanov tetraklorid in sicer:

n(TiCl4) =12

n(Mg) =823

2= 411, 5 mol

m(TiCl4) = n M = (1054 411, 5) mol 189, 7 g/mol == 121, 9 kg

8

2 Plinski zakoni

1. V posodi s prostornino 800 mL ima pri temperaturi 15 C plin tlak 1, 2 105 Pa. Zakoliko mL se zmanjsa prostornina plina, ce pri konstantni temperaturi povecamo tlak zaeno tretjino?V1= 800 mLT1= 15 C = 288 KP1= 1, 2 105 Pa = 120 kPa

P

Slika 3: 800 mL posoda. Mnozina analita je pri obeh tlakih enaka (n=konst.)!

P1 V1T1

=P2 V2

T2= P1 V1

T1=

4 P1 V23T1

V1 =43

V2

V2 =V1 3

4=

800 mL 34

=

= 600 mLV = 800 mL 600 mL =

= 200 mL

2. Izracunaj, koliko litrov klora, merjenega pri T=35 C in tlaku 98,6 kPa potrebujemo zareakcijo 0,03 mola B2H6 po spodnji enacbi. Koliko g HCl pri tem nastane?

B2H6 + 6 Cl2 2 BCl3 + 6 HClT=35 C=308 KP=98,6 kPaR=8,314 kPaL/molK

1)

9

n(B2H6)1

=n(Cl2)

6n(Cl2) = 6 n(B2H6) =

= 6 0, 03 mol == 0, 18 mol

PV = n R T V = nRTP = 0,18 mol8,314 KPaL308K98,6103 kPa == 4, 67 103m3 = 4, 67 L

2) n(B2H6)1

=n(HCl)

6n(HCl) = 6 n(B2H6) =

= 6 0, 003 mol = 0, 18 molm(HCl) = n(HCl)M(HCl) = 0, 18 mol 36, 508 g/mol =

= 6, 57g

3. V posodi s prostornino 2 L ima plin pri 20 C tlak 1, 32 105Pa. 1) Kaksen bo tlakplina, ce segrejes posodo za 30 C in se prostornina pri tem ne spremeni? 2) Kako sespremeni prostornina plina, ce ga pri konstantnem tlaku segrejes za 100 C?V1 = 2 LT1 = 20 C = 293 KP1 = 1, 32 105 Pa

1) P1T1

=P2T2

P2 =P1 T2

T1=

1, 32 105Pa 323K293K

=

= 1, 455 105Pa = 1, 46 105Pa2) V1

T1=

V2T2

; P = konst.

V2 =V1 T2

T1=

2L 393K293K

= 2, 682L =

= 2, 68L

4. Pri temperaturi 27 C ima argon, zaprt v posodi tlak 40,0 kPa. Koliko g argona je vposodi, ce se pri zmanjsanju tlaka za 13,3 kPa in isti temperaturi prostornina poveca za15,6 L?

10

P1 = 40, 0 kPaP2 = (40, 0 13, 3) kPa = 27, 6 kPaT = 300 K = konst.V = 15, 6 LM(Ar) = 39, 9 g/mol

P1V1 = P2(V1 + V)P1V1 = P2V1 + P2V

P1V1 P2V1 = P2VV1(P1 P2) = P2V

V1 =P2 VP1 P2 =

26, 7kPa 15, 6L40, 0kPa 26, 7kPa =

=416, 5213, 3

= 31, 32L = 31, 3L

PV = nRT =mM

RT

m =PVM

RT=

40, 0kPa 31, 3L 39, 9gmol K8, 314kPa L 300Kmol =

= 20, 03g = 20, 0g

5. V posodi je plin pri temperaturi 20 C. Kolikokrat bi morali povecati mnozino plina,da se pri ohladitvi na -150 C tlak ne bi spremenil?T1 = 20 C = 293 KT2 = 150 C = 123 K

P V = n R T; P = konst., V = konst.n R T = konst = n1 R T1 = n2 R T2; R = konst.

n1 T1 = n2 T2n1n2

=T2T1

n1n2

=123293

n1n2

= 0, 4197

n2 =n1

0, 4197n2 = n1 2, 38

Mnozino bi morali povecati 2,38 krat.

11

6.N2 + 3 H2 2 NH3

1) Koliko g N2 je potrebnih za pripravo 7,5 g NH3?2) Kaksna bi bila prostornina potrebnega N2 pri normalnem tlaku in temperaturi 25 C?m(NH3) = 7, 5 gPnorm. = 101, 3 kPaT = 25 C = 298 KM(NH3) = 14, 0+ 3 1, 0 = 17 g/molM(N2) = 2 14, 0 = 28 g/mol

Pogoji Temperatura (C) Tlak (kPa)Normalni 20 101,3

Standardni 0 100

n(N2) =n(H2)

2=

n(NH3)2

;

m(N2)M(N2)

=m(NH3)

2 M(NH3)m(N2) =

m(NH3) M(N2)2 M(NH3)

=7, 5g 28g mol

2 17g mol == 6, 176 g = 6, 18 g

P V = n R T; R = 8, 314 kPa L/mol KV =

n R TP

=m R T

M P =6, 18 g 8, 314 kPa L 298 K mol

28 g 101, 3 kPa K mol == 5, 39 L

7. Izracunaj gostoto CO2 pri temperaturi 20 C in tlaku 100 kPa ter njegovo relativnogostoto glede na dusik pri istih pogojih!T = 20 C = 293 KP = 100 kPaM(CO2) = 44, 01 g/mol

12

R = 8, 314 kPa L/mol KP V = n R TP V = m

MR T

P MR T =

mV

CO2 =P MR T =

100 kPa 44, 01 g mol K8, 314 kPa L 293 K mol =

= 1, 81 g/L

D(CO2)N2 =M(CO2)M(N2)

=44, 01 g/mol28, 02 g/mol

= 1, 57

8. Eten (C2H4) je reaktiven plin, ki zgori s kisikom (O2) v ogljikov dioksid (CO2) in vodo(H2O). Ali je 120 g kisika dovolj za popolno izgorevanje 1,2 mola etena? Kateri reaktantin koliko ga ostane nezreagiranega? Uredi enacbo kemijske reakcije!

C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2OM(= 2) = 120 gn(C2H4) = 1, 2 molM(O2) = 32 g/mol

n(C2H4) =n(O2)

3n(O2) = 3 n(C2H4)

m(O2)M(O2)

= 3 n(C2H4)m(O2) = 3 M(O2) n(C2H4) =

= 3 32 g/mol 1, 2 mol == 115, 2 g

m(O2)presezek = m(O2)m(O2)potreben = 120 g 115, 2 g = 4, 8 gOziroma:

1 mol etena 3 mole kisika1,2 mola etena 3,6 mole kisika

Ostane 0,15 mola kisika.

m = n M = 0, 15 mol 32 g/mol == 4, 8 g

13

9. Priblizno velja, da je zrak mesanica 78,8 masnih odstotkov dusika in 23,2 masnihodstotkov kisika. Izracunaj delni tlak obeh plinov, ce je celotni tlak 100 kPa!P(N2) = x(N2) PP(O2) = x(O2) PDaltonov zakon:

P =n

n=1Pi = P1 + P2 + . . . + Pn = Pi = xi P

Mnozina plinov v 100 g zraka je:

n(N2) =m(N2)M(N2)

=76, 8 g mol

28, 02 g= 2, 74 mol

n(O2) =m(O2)M(O2)

=23, 2 g mol

32, 00 g= 0, 725 mol

Molski delez plinov je:

x(N2) =n(N2)

n(N2) + n(O2)=

2, 74 mol2, 74 mol + 0, 725 mol

= 0, 791

x(O2) =n(O2)

n(O2) + n(N2)=

0, 725 mol0, 725 mol + 2, 74 mol

= 0, 209

Delni tlaki:

P(N2) = 0, 791 100 kPa = 79, 1 kPaP(O2) = 0, 209 100 kPa = 20, 9 kPa

10. Koliko gramov benzena (C6H6), strupene in kancerogene organske spojine, lahkokloriramo s 25 L klora, merjenega pri T = 25C in tlaku 250 kPa? Uredi enacbo kemijskereakcije!T = 25 C = 298 KM(C6H6) = 78, 12 g/molR = 8, 314 kPa L/mol K

C6H6 +Cl2 C6H6Cl6C6H6 + 3 Cl2 C6H6Cl6

14

n(C6H6) =n(Cl2)

3n(Cl2) = 3 n(C6H6)

P V(Cl2)R T =

3 m(C6H6)M(C6H6)

m(C6H6) =P V(Cl2) M(C6H6)

R T 3 =

=250 kPa 25 L 78, 12 g mol K

8, 314 kPa L 298 K mol 3 == 65, 69 g = 65, 7 g

Drugi nacin:

P V = n R Tn =

P VR T =

=250 kPa 25 L mol K8, 314 kPa L 298 K =

= 2, 523 mol

1 n(C6H6) . . . . . . . . . 3 n(Cl2)x . . . . . . . . . 2, 523 n(Cl2)x = 0, 84087 mol

m(Cl2) = n(Cl2) M(Cl2) == 0, 84087 mol 78, 12 g/mol == 65, 7 g

15

3 Ravnotezne konstante

Poznamo dve vrsti ravnoteznih reakcij, ki jih moramo obravnavati loceno, saj sta tudienacbi za izracun njihovih konstant razlicni:

Homogeno Vsi reaktanti in produkti so prisotni v enakem agregatnem stanju (plinasto,tekoce).

Nehomogeno Reaktanti in produkti nastopajo v vecih fazah. Najpogosteje imamoopravka z reakcijami med trdnim in plinastim ali trdnim in tekocim. Pri temmoramo paziti, da pri izracunu ne upostevamo trdnih reaktantov / produktov.

KC = podana s koncentracijami plinastih / tekocih snovi v [mol/L]KP = podana z delnimi tlaki plinastih snovi v [Pa]KP = KC(RT)n

1. F2(g)+H2(g) 2 HF(g)KC =

[HF]2

[F2][H2]Razmerje med mnozinskimi koncentracijami produktov in reaktantov.

KP =P2(HF)

P(F2)P(H2)Razmerje med delnimi tlaki produktov in reaktantov.

2. KC =[NO]2

[N2] [O2]N2(g)+O2(g) 2 NO(g)

1. Napisi izraze za konstante ravnotezja naslednjim reakcijam:

2 SO2(g)+O2(g) 2 SO3(g)Kc =

[SO3]2

[O2][SO2]2

N2O(g)+ 12 O2(g) 2 NO(g)Kc =

[NO]2

[O2]0.5[N2O]

Cu(s)+ 2 Ag+(aq) Cu+2(aq)+ 2 Ag(s)Kc =

[Cu+2][Ag+]2

CaCO3(g) CaCO(s)+CO2(g)Kc =

[CO2][CaCO3]

16

2 NaHCO3(s) Na2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)Kc = [H2O][CO2]

2. Pri dolocenih pogojih ima konstanta ravnotezja KC za reakcijo BrF(g)+F2(g) BrF3(g)vrednost 7,31027. Koliksna je vrednost konstante KC pri enakih pogojih za reakcije:(a) BrF3(g) BrF(g)+ F2(g) KC = 17,31027 = 1, 4 1028

Rezultat pove, da gre reakcija ravno v nasprotno smer.

(b) 2 BrF(g)+ 2 F(g) 2 BrF3(g) KC = (7, 3 1027)2 = 5, 3 1055

3. Pri 400 C ima KC za reakcijo COCl2(g) CO(g) + Cl2(g) vrednost 8, 3 104.Kaksna je vrednost KP pri tej temperaturi?KP = KC(RT)n

R = 8314 Pa L/mol KT = 400 C = 673 K

n = n(prod.) n(reak.)n = 2 1 = 1KP = 8, 3 104 (8314 Pa L/mol 673K)1 = 6, 4 103

KP in KC ne dopisujemo enot!

4. Pri dolocenih pogojih ima konstanta ravnotezja KC za reakcijo PCl3(g)+Cl2(g) PCl5(g)vrednost 2,2. Sistem ima v ravnotezju v 2-litrski posodi 0,36 mol PCl5 in 0,2 mol PCl3.Koliksna je ravnotezna koncentracija klora?KC = 2, 2V = 2 Ln(PCl5) = 0, 36 moln(PCl3) = 0, 2 mol

c(PCl5) =n(PCl5)

V=

0, 36mol2, 0L

= 0, 18 mol/L

c(PCl3) =n(PCl3)

V=

0, 2mol2, 0L

= 0, 10 mol/L

KC =[PCl5]

[PCl3][Cl2] [Cl2] =

[PCl5][PCl3] KC

=

=0, 18mol

0, 10mol 2, 2 = 0, 82 mol

17

4 Raztopine

V naravi in v vsakdanjem zivljenju imamo opravka z mesanico snovi.

1. Homogene zmesi: enaka sestava po vsej zmesi raztopine. So homogene zmesimajhnih delcev dveh ali vec snovi v vseh agregatnih stanjih

(a) Koloidne: 1010000 A(11000 nm), svetloba se na njih siplje - so neprosojne

(b) Prave: topljenec, ki se v raztopini raztaplja (v trdni, plinasti ali tekoci obliki),topilo (trdno, plinasto, tekoce). Npr.:

Trdno v tekocem: slana voda Plin v tekocem: mineralna voda Tekoce v tekocem: alkohol voda

2. Heterogene zmesi: podrocja v zmesi, ki jih locujejo meje npr. sladkor in pesek

Definicija raztopine:

Med delci (molekule ali ioni) so van der Waalsove sile Homogena porazdelitev delcev Sestavine se ne locujejo ce raztopina miruje S filtriranjem jih ne moremo lociti (lahko pa z destilacijo) Prozorne ali obarvane Fizikalne lastnosti so razlicne od trdnih snovi (odvisne od koncentracije)

Masni delez topljenca = m(topljenca)m(raztopine)

1. 25 g NaCl raztopimo v 100 g H2O. Izracunaj masni delez NaCl v raztopini.m(H2O) = 100 gm(NaCl) = 25 g

wNaCl =m(NaCl)

m(NaCl) + m(H2O)=

=25 g

25 g + 100 g=

= 0, 20 = 20 %

18

2. Koliko vode je potrebno dodati 34 g NH4Cl, da dobis 17 % raztopino? Koliko g 17 %raztopine NH4Cl dobis?m(NH4Cl) = 34 gwNH4Cl = 0, 17

1) wNH4Cl =m(NH4Cl)

m(NH4Cl) + m(H2O)

m(NH4Cl) + m(H2O) =m(NH4Cl)

wNH4Cl

m(H2O) =m(NH4Cl)

wNH4Clm(NH4Cl) =

34g0, 17

34g = 166g2) masa raztopine :

mr = m(NH4Cl) + m(H2O == 34 g + 166 g = 200 g

Masna koncentracija raztopine = m(topljenca)1 L raztopine

3. 150 g KCl raztopis v H2O. Prostornina raztopine je 750 mL. Izracunaj masno koncen-tracijo raztopine KCl!m(KCl) = 150 gVR = 750 mL

=m(topljenca)V(raztopine)

=150g

0, 750L= 200 g/L

4. Masna koncentracija NaNO3 je 13 g/L. Koliko NaNO3 je v 50 mL raztopine? = 13 g/LV = 50 mL = 0, 05 L

=m(topljenca)V(raztopine)

m = V = 13 g/L 0, 05L = 0, 65 g

19

Mnozinska koncentracija raztopine c = nV

5. V merilni bucki s prostornino 250 mL je raztopina, ki vsebuje 0,5 mol NaCl. Kolikomolarna je raztopina NaCl?n(NaCl) = 0, 5 molV = 250 mL = 0, 25 L

mnozinska koncentracija =st. molov topljenca

1 L raztopine

c =nV=

0, 5 mol0, 25 L

=

= 2, 00 mol/L

Raztopina NaCl je 2M.

6. 50 mL 2,5 M NaOH razredcis v merilni bucki s prostornino 250 mL. Koliko molarna jerazredcena raztopina?V1 = 50 mL = 0, 05 Lc2 = 2, 5 mol/LV2 = 250 mL = 0, 250 L

c1 V1 = c2 V2c2 =

c1 V1V2

=2, 5 mol 0, 05 L

0, 25 L=

= 0, 50 mol/L

Razredcena raztopina je 0,5 M.

Gostota raztopine = m(raztopine)V(raztopine)

7. Izracunaj maso 1 L raztopine Na2CO3, ce je gostota raztopine 1,100 g/mL!V = 1 L = 1000 mL = 1, 100 g/mL

=m(raztopine)V(raztopine)

mr = Vr == 1, 1 g/mL 1000 mL == 1, 100 g

20

Medsebojno preracunavanje koncentracij

8. Koliko molarna je 9,75 % raztopina Na2CO3, ki ima gostoto 1,100 g/mL?w(Na2CO3) = 9, 75% = 0, 0975 = 1, 100 g/mL = 1100 g/LM(Na2CO3) = 106 g/mol

Prvi nacin:

1. Izracunamo maso 1 L raztopine s pomocjo gostote

=m(raztopine)V(raztopine)

mr = Vr == 1, 1 g/mL 1000 mL == 1, 100 g

2. Izracunamo maso Na2CO3 (topljenca) v 1100 g (1 L) raztopine

=m(Na2CO3)

m(Na2CO3) + m(H2O)=

=m(Na2CO3)

mrm(Na2CO3) = mr = 0, 0975 1100 g =

= 107, 25 g

3. V 1 L raztopine (1100 g) je mnozina topljenca Na2CO3

n(Na2CO3) =m(Na2CO3)M(Na2CO3)

=107, 25 g/mol

106 g= 1, 012 mol

4. Mnozinska koncentracija

c =n(Na2CO3)

V=

1, 012 mol1 L

= 1, 01 mol/L

21

Drugi nacin:Masni delez:

=m(Na2CO3)

mr=

m(Na2CO3) V =

=n M V =

c M(Na2CO3)

c =

M(Na2CO3)=

0, 0975 1100 g mol106 g L

= 1, 01 mol/L

9. Koliko odstotna je 1,5 M raztopina H2SO4, ki ima gostoto 1,090 g/mL?M(H2SO4) = 98, 1 g/mol = 1, 090 g/mLc(H2SO4) = 1, 5 mol/L

=c M(H2SO4)

=

1, 5 mol L 98, 1 g1090 g L mol

= 0, 135 = 13, 5%

TopnostTopnost je lastnost snovi, da se gradniki (atomi, molekule, ioni) porazdelijo med gradnikedruge snovi. Topnost je torej odvisna od kemijske strukture tako topljenca kot topila.

10. Nasicena raztopina K2SO4 pri 20 C je 9,91 %. Izracunaj topnost K2SO4 v g soli na100 g H2O! = 9, 91 % = 0, 0991Nasicena raztopina: V 100 g nasic. razt. je 9,91 g K2SO4

in 100 g - 9,91 g = 90,09 g H2O

Topnost na 100 g H2O: 9,91 g (K2SO4) 90,09 g H2Ox 100 g H2Ox = 9,9110090,09 = 11, 0 g

11. Topnost NaCl pri 20 C je 35,9 g NaCl na 100 g H2O. 60 g nasicene raztopine pri 20C posusimo do suhega. Koliko g NaCl dobimo?

35 g NaCl 100 g H2O 135 g nasicene raztopine =

m(NaCl)m(NaCl) + m(H2O)

=35 g135 g

= 0, 264

V 60 g nasicene raztopine m(NaCl) = mr = 0, 264 60 g = 15, 8 g

22

12. Koliko molarno raztopino HNO3 dobimo, ce k 500 mL 32 % raztopine z gostoto 1,2g/mL dolijemo 900 mL H2O?V1 = 500 mL1 = 0, 321 = 1, 2 g/mLV2 = 1400 mLM(HNO3) = 63 g/mol

1 =m(HNO3)

mr; mr = 1 V1

m(HNO3) = 1 mr = 1 1 V1 == 0, 32 1, 2 g/mL 500 mL == 192 g

Mnozinska koncentracija:

c2 =n(topljenca)

V2

c2 =m

V2 M =192 g mol

1400 mL 63 g == 0, 002176 mol/mL= 2, 176 mol/L == 2, 18 mol/L

Drugi nacin:

=c1 M

c1 =

M(HNO3)=

=0, 32 1200 g mol

63 g L == 6, 09 mol/L

c1 V1 = c2 V2c2 =

c1 V1V2

=6, 09 mol 0, 5 L

1, 4 L L == 2, 177 mol/L == 2, 18 M raztopina

23

13. Izracunajte gostoto 14 % raztopine katere molarnost znasa 2,8 mol/L. Spojina vsebuje69,57 % K, 28,64 % O in 1,79 % N.(K) = 0, 6957(O) = 0, 2864(N) = 0, 0179M(K) = 39, 1M(O) = 16, 0M(N) = 14, 0

K : O : N =69, 5739, 1

:28, 6416, 0

:1, 7914, 0

=

= 1, 779 : 1, 79 : 0, 1278 == 13, 9 : 14 : 1 == 14 : 14 : 1 == K14O14N

M(K14O14N) = 785, 4 g/mol

=m(K14O14N)

mr=

n M V =

c M

=c M

=2, 8 mol 785, 4 g

mol L 0, 14 == 15708 g/L

24

5 Racunanje pH

pH je merilo za kislost oziroma alkalnost raztopin. Je torej merilo za koncentracijooksonijevih ionov (H3O

+), ki dajejo raztopinam kisel znacaj. Izvor crke p v pH ni tocnoznan, pomenil pa naj bi vse od power of hydrogen, nemske besede Potenz do latinskihpondus hydrogenii, potentia hydrogenii, kar pomeni potencialni vodik.

Kisline so snovi, ki v vodni raztopini ionizirajo (disociirajo) na H3O+ (oksonijeve) oz.

H+ ione. Baze pa so snovi, ki v vodni raztopini ionizirajo na OH(hidroksidne) ione.Za mocne kisline in mocne baze velja, da popolnoma ionizirajo (snov v celoti razpade

na ione). npr.

HCl H+ +Cl c(HCl) = c(H+) = c(Cl)Med kislinami in bazami potekajo reakcije nevtralizacije, ob tem pa nastanejo soli

in najveckrat tudi voda. Nastale raztopine soli pa so glede na kislost oz. bazicnost rela-tivno nevtralne. Tovrstne reakcije zato s pridom uporabljamo za analizne namene (npr.nevtralizacijska titracija), saj se ob njihovem poteku spreminja pH raztopin, kateregalahko merimo (z indikatorji, pH-metrom).

1. Izracunaj pH raztopine, v kateri so naslednje koncentracije oksonijevih ionov:

H3O+ [mol/L] pH

0,1 10,01 20,001 3

0,00000001 80,000000000001 12

pH = log(H3O+)

1. Koliko je pH 0,0032 M raztopine HCl?c = 0, 0032 mol/L[H3O

+] = c = 0, 0032 mol/L

pH = log[H3O+]= log(0, 0032)= 2, 49

25

2. Koliko je pH 0,05 M raztopine KOH?[OH] = c = 0, 05 mol/L

pOH = log[OH] = log(0, 05) = 1, 3pH + pOH = 14

pH = 14 1, 3= 12, 7

3.Izracunaj koncentracijo hidroksidnih ionov v raztopini, ki ima pH 10!pH = 10

pH + pOH = 14pOH = 14 pH = 14 10 = 4pOH = log(OH)OH = 10pOH

OH = 104 mol/L

4. Izracunaj koncentracijo oksonijevih ionov v raztopini, ki ima pH 1,3!

pH = log(H3O+)H3O+ = 10pH

= 101,3

= 0, 05 mol/L

5. 0,5 L 0,01 M raztopine HCl razredcis z vodo, da dobis 1 L raztopine. Izracunaj pHrazredcene raztopine!c1 = 0, 01 MV1 = 0, 5 LV2 = 1, 0 L

26

n1

n2

500 mL 1000 mL

Slika 4: Bucki razlicnih velikosti. Mnozina analita je v obeh enaka!

c1 V1 = c2 V2c2 =

c1 V1V2

=0, 01 mol/L 0, 5 L

L 1, 0 L= 5 103 mol/L

H3O+ = c2 = 5 103 mol/LpH = log(H3O+)

= log(5 103)= 2, 3

6. 5 mL raztopine HCl, katere pH znasa 1,5, razredcimo s H2O do skupnega volumna600 mL. Kaksen je pH nastale raztopine, ce predpostavimo popolno disociacijo?pH1 = 1, 5V1 = 5 mLV2 = 600 mL

c1 = H3O+

pH = log(H3O+)H3O

+ = 10pH

= 101,5

= 0, 03162 mol/L

27

c1 V1 = c2 V2c2 =

c1 V1V2

=0, 03162 mol 0, 005 L

L 0, 6 L= 0, 0002635 mol/L

pH2 = log(H3O+)= log(0, 0002635)= 3, 58

28

6 Energija kemijskih reakcij - Termokemija

Energija se porablja ali sprosca s kemijskimi reakcijami (v industriji, okolju, organiz-mih. . . ) v razlicnih oblikah (toplota, elektricna energija, svetloba). Pri vecini kemijskihreakcij opazujemo ODDAJANJE (eksotermne) ali SPREJEMANJE (endotermne) toplote.

Primer: Potek pri zunanjem zracnem tlaku, ki se med reakcijo ne spreminja.

N2 +O2 + toplota 2 NOEndotermna

reakcija

1 mol + 1 mol + 180 kJ 2 molH=+180 kJ

Sprememba entalpije

CaO+H2O Ca(OH)2 + toplotaEksotermna

reakcijaH=-65 kJ

Sprememba entalpije

Toplota, ki se sprosca ali porablja pri kemijski reakciji pri stalnem tlaku:

- sprememba entalpije H

Entalpijo, ki jo navajamo pri tlaku 100 kPa imenujemo:

- standardna entalpija H0

Toploto, ki se sprosca ali porablja pri kemijski reakciji pri tlaku 100 kPa imenujemo:

- standardna reakcijska entalpija H0r

Ce nastane 1 mol spojine iz elementov pri tlaku 100 kPa govorimo o:

- standardni tvorbeni entalpiji H0tv

Po dogovoru so H0tv elementov pri vseh temperaturah 0.

- Cu(s), H0tv=0

- H2(g), H0tv=0

29

Tabela 1: Standardne tvorbene entalpije nekaterih snovi.Spojina H0tv [kJ/mol]O2(g) 0,0C(graphite) 0,0CO(g) -110,5CO2(g) -393,5H2(g) 0,0H2O(g) -241,8HF(g) -271,1NO(g) 90,25NO2(g) 33,2N2O4(g) 9,16SO2(g) -296,8SO3(g) -395,7

1. Izracunajmo standardno reakcijsko entalpijo za gorenje metana!H0tv(CH4) = 74, 8 kJ/molH0tv(O2) = 0 kJ/molH0tv(CO2) = 393 kJ/molH0tv(H2O) = 286 kJ/mol

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l)H0r = H0tv produktov odstejemo H

0tv reaktantov.

Produkti Reatanti1 mol CO2 (-393 kJ) 1 mol CH4 (-74,8 kJ)

2 mol H2O (-286 kJ 2) 2 mol O2 (0 kJ 2)-965 kJ -74,8 kJ

H0r = 965 kJ (74, 8 kJ)= 890 kJ

Reakcija je eksotermna.

2. Pri taljenju ledu in izparevanju vode pri tlaku 100 kPa in temperaturi 25 C se toplotaporablja:

H2O(s) H2O(l) H0 = +6, 01 kJ/molH2O(l) H2O(g) H0 = +40, 7 kJ/mol

30

Koliko toplote je potrebno za taljenje 1 kg ledu in izparevanje 1 kg vode pri tlaku 100kPa in T=25 C?Taljenje:

1 mol H2O = 18 g

1 kg = 1000 g 1000 g mol18 g

=

= 55, 56 mol H2O55, 56 mol 6, 01 kJ/mol = 333, 9 kJ

= 334 kJ

Izparevanje:

55, 56 mol 40, 7 kJ/mol = 2261 kJ= 2, 26 103 kJ

3. Koliko toplote se sprosti pri tlaku 100 kPa in T = 25 C, ce iz CaO pripravimo 375 kgCa(OH)2? Standardna entalpija za reakcijo je -65,2 kJ/mol.

CaO(s) +H2O Ca(OH)2(s)H0r = 65, 2 kJ/molm(Ca(OH)2) = 375 kgM(Ca(OH)2) = 74, 1 g/mol

n(Ca(OH)2) =m(Ca(OH)2)M(Ca(OH)2)

=375 103 g mol

74, 1 g= 5060, 7 mol

= 5, 06 103 mol

1 mol Ca(OH)2 65, 2 kJ5, 06 103 mol Ca(OH)2 x

x = Q = 5, 06 103 mol (65, 2 kJ/mol)= 329957, 6 kJ= 3, 30 105 kJ

31

4. Za nastanek CO2 pri tlaku 100 kPa in T = 25 C je standardna tvorbena entalpija -394kJ/mol. Koliko g C(s) je reagiralo z O2, ce se je pri reakciji pri teh pogojih sprostilo 98,5kJ toplote?

C(s) +O2(g) CO2(g)H0tv(CO2) = 394 kJ/molQ = 98, 5 kJM(C) = 12 g/mol

Q = n H0tv= n H0r

n(C) = n(CO2) =Q

H0tv(CO2)

=98, 5 kJ mol394 kJ =

= 0, 250 molm(C) = 0, 250 mol 12 g/mol =

= 3, 00 g

5. Pri gorenju 1 mol CH4 se pri tlaku 100 kPa in T = 25 C sprosti 890,3 kJ toplote. Kolikotoplote se sprosti, ce zgori 1, 03 103 L metana pri tlaku 100 kPa in T = 25 C?

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l)H0r (CH4) = 890, 3 kJ/molV(CH4) = 1, 03 103 LT = 25 CP = 100 kPaR = 8, 314 kPa L/mol K

P V = n R Tn(CH4) =

P VR T =

=101, 3 kPa 1, 03 103 L mol K

8, 314 kPa L 298 L == 42, 1 mol

Q = n H0r= 42, 1 mol (890, 3 kJ/mol) == 37481, 6 kJ= 3, 75 104 kJ

32

7 Redoks reakcije

Posebna oblika reakcij so redoks reakcije, kjer se spreminja oksidacijsko stevilo vseh alinekaterih elementov - prihaja do prenosov elektronov (e).

Oksidacijsko stevilo je enako naboju, ki bi ga atom imel, ce bi bila spojina zgrajena leiz ionov.

Na+Cl Na+ +ClOksidacija

Redukcija

02 Na+

0Cl2

+I2 Na+ +

-I2 Cl

Oksidacija

Redukcija

Ker je atom natrija oddal en (e) kloru (ta je en e odvzel) ima sedaj natrij pozitivninaboj, klor pa negativni in ker iz fizike vemo, da se nasprotna naboja privlacita se ta dvaatoma zdruzita preko ionske vezi, ki je mimogrede zelo mocna in skupaj tvorita kristalsoli (NaCl):

20

Na+0

Cl2 2+1

Na1Cl

- Oksidacija: oddajanje e (oksidacijsko stevilo reducenta se poveca)- Redukcija: sprejemanje e (oksidacijsko stevilo oksidanta se zmanjsa)- Oksidant: odvzema e- Reducent: odda e

Stevilo oddanih e= stevilo prejetih e. Redukcija oksidacija potekata hkrati =redoks reakcije.Pravila za oksidacijska stevila:

1. Oksidacijsko stevilo elementov je enako nic.

2. Kovine imajo pozitivna oksidacijska stevila, kovine I. skupine +1, kovine II. sku-pine -2, itd.

3. Vodik ima vedno +1 oksidacijsko stevilo.

4. Kisik ima vedno -2 oksidacijsko stevilo, razen v peroksidih.

5. Vsota vseh oksidacijskih stevil mora biti enaka nic oz. mora biti enaka naboju iona.

Urejanje redoks reakcije:

33

Oksidacijsko stevilo PrimerCisti element 0 Zn, H2, S8

Monoatomarni ioni Naboj iona Cd v CdCl2 je +2Cl v CdCl2 je -1

Fluor -1 F v AlF3 je -1F v CF4 je -1

Kisik -2 O v ZnO je -2O v H2O je -2

Vodik +1 H v H2O je +1

1. 2+3

Al3

Cl3 + 30

H2 20

Al+ 6+1

H1Cl

2. Dolocimo oksidacijska stevila vsem elementom (elementarno stanje ima oksidacij-sko stevilo 0 (H2, O2, S, I2. . . ))

3. Krizno mnozimo (poiscemo najmanjsi skupni veckratnik, kadar stevilo sprejetih inoddanih eni enako)

4. Uredimo se desno stran

34

Fe++2

Cu +2Fe+CuPolreakciji sta:

Fe +2Fe+ 2 e Zelezo se oksidira je reducent+2

Cu+ 2 e Cu Baker se reducira je oksidant

+1

Ag(aq) ++2

Fe(aq) 0

Ag(s) ++3

Fe(aq)

Polreakciji sta:

+2

Fe +3Fe+ 1 e Zelezo se oksidira je reducent+1

Ag+ 1 e Ag Srebro se reducira je oksidant

1. Izracunaj koliko gramov elementarnega joda se izloci pri reakciji med 1,00 mol H2S inprebitno kolicino HIO3. Pri reakciji nastane tudi zveplo.

H2S+HIO3 I2 + SH2

2S+

+1

H+5

I6O3

0I2 +

0S

2S 0S+ 2 e Zveplo odda 2 e Spojine z zveplom mnozimo s 5.+5

I+ 5 e 0I2 Jod sprejme 5 e Spojine z jodom mnozimo z 2.

5 H2S+ 2 HIO3 I2 + 5 S

5 H2S+ 2 HIO3 I2 + 5 S+ 6 H2O

n(H2S)5

= n(I2)

n(H2S)5

=m(I2)M(I2)

m(I2) =1, 00 mol 253, 8 g

5 molm(I2) = 50, 8 g

35

2. Uredi sledeco redoks reakcijo:

Cu+HNO3 Cu(NO3)2 +NO+H2OEnacbo zapisemo z oksidacijskimi stevili:

0Cu+

+1

H+5

N6O3

+2

Cu2

(NO3)2 ++2

N2O+H2O

0Cu +2Cu+ 2 e Baker odda 2 e Spojine s Cu mnozimo s 3.+5

N+ 3 e > +2N Dusik sprejme 3 e Spojine z N mnozimo z 2.

3 Cu+ 2 HNO3 3 Cu(NO3)2 + 2 NO+H2ODusikovi atomi se ne ujemajo, zato jih dodamo na levi strani in nato uredimo s pomocjovode, da se na koncu ujemajo.

3 Cu+ 8 HNO3 3 Cu(NO3)2 + 2 NO+ 4 H2O

3. Uredi redoks reakcijo!

CuO+NH3 Cu+N2 +H2OReakcija napisana z oksidacijskimi stevili:

+2

Cu2O+

3N

+3

H3 0

Cu+0

N2 +H2O

3 CuO+ 2 NH3 3 Cu+N2 + 3 H2O

4. Uredi sledeco reakcijo!

P4 +O2 +H2O H3PO4Reakcija napisana z oksidacijskimi stevili:

0P4 +

0O2 +

+2

H22O +3H3

+5

P8O4

0P +5P+ 5 e Fosfor odda 5 e Spojine z P mnozimo z 2.0

O+ 2 e > 2O Kisik sprejme 2 e Spojine z O mnozimo s 5.

36

5. Uredi sledeco reakcijo!

Ag+HNO3 AgNO3 +NO+H2O0

Ag +Ag+ 1 e Srebro odda 1 e+5

N+ 3 e > +2N Dusik sprejme 3 e Spojine z Ag pomnozimo s 3.

3 Ag+ 4 HNO3 3 AgNO3 +NO+ 2 H2O

6. Izracunaj, koliko mililitrov 0,0300 M raztopine KMnO4 porabis pri titraciji 50,2 mL0,0153 M raztopine natrijevega(I) sulfata(IV) v kislem mediju (H2SO4), kjer nastajajonatrijev(I) sulfat(VI), manganov(II) sulfat(VI) in kalijev(I) sulfat(VI)!c(KMnO4) = 0, 0300 Mc(Na2SO3) = 0, 0153 MV(Na2SO3) = 50, 2 mL

+1

K+7

Mn8O4 +

+2

Na2+4

S6O3 +

+2

H2+6

S8O4

+2

Na2+6

S8O4 +

+2

Mn+6

S8O4 +

+2

K2+6

S8O4

Spreminjata se oksidacijski stevili mangana in zvepla, torej:

Oksidacija:+4

S +6S+ 2 e Zveplo pomnozimo s 5.Redukcija:

+7

Mn+ 5 e +2Mn Mangan pomnozimo z 2.

2 KMnO4 + 5 Na2SO3 + 3 H2SO4 5 Na2SO4 + 2 MnSO4 +K2SO4 + 3 H2O

n(KMnO4)2

=n(Na2SO3)

5 n(KMnO4) =

25 n(Na2SO3)

=25 c(Na2SO3) V(Na2SO3)

=2 0, 0153 mol 0, 050 L

5 L= 3, 072 104 mol

V(KMnO4) =n(KMnO4)c(KMnO4)

=3, 072 104 mol L

0, 0300 mol= 0, 0102 L = 10, 2 mL

37

8 Literatura

[1] Smerdu, Andrej: Fluor ni flour. Jutro zaloznistvo, d.o.o., Ljubljana, 1998.

[2] Cernigoj, Urh; Bavcon Kralj, Mojca: Kemijsko racunanje : zbirka nalog z resitvami zastudente Okolja in drugih naravoslovnih programov. Univerza v Novi Gorici, NovaGorica, 2010.

[3] Bukovec, N.; Leban, I.: Vaje iz anorganske kemije. Katedra za anorgansko kemijo FKKT,Ljubljana, 1997, cetrta izdaja, 86 str.

38

Mnoina, tevilo atomov/molekul, formula spojinePlinski zakoniRavnotene konstanteRaztopineRacunanje pHEnergija kemijskih reakcij - TermokemijaRedoks reakcijeLiteratura