Aplică legile chimice pentru rezolvarea problemelor cantitative privind reacțiile chimice.
Molul este cantitatea de substanță care conține 6,022 · 10 la puterea 23 particule elementare — atomi, molecule sau ioni, după caz. Acest număr se numește numărul lui Avogadro, N_A.
De fiecare dată când spui un mol, trebuie să precizezi de ce: un mol de H2 înseamnă 6,022 · 10 la puterea 23 molecule, dar de două ori mai mulți atomi de hidrogen. Neatenția asta scoate din calcul mai multe puncte decât orice altă greșeală de la capitol.
Masa molară M este masa unui mol, în g/mol, numeric egală cu masa atomică sau moleculară relativă. Se calculează adunând masele atomice ale tuturor atomilor din formulă: - M(H2O) = 2 · 1 + 16 = 18 g/mol - M(CaCO3) = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 g/mol - M(H2SO4) = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol - M(Ca(OH)2) = 40 + 2 · (16 + 1) = 74 g/mol
Atenție la formulele cu paranteză: indicele din afara parantezei se aplică tuturor atomilor dinăuntru. La Al2(SO4)3 avem 2 atomi de aluminiu, 3 de sulf și 12 de oxigen, deci M = 54 + 96 + 192 = 342 g/mol.
Cele trei relații fundamentale, pe care le vei folosi la fiecare problemă:
Molul este piesa care leagă între ele toate mărimile. Orice problemă de stoechiometrie, oricât de complicată ar părea, are aceeași structură: transformi datele în moli, folosești raportul din ecuație, revii la mărimea cerută. Cine încearcă să lucreze direct cu masele, sărind peste moli, se blochează la primul raport care nu este unu la unu.
Coeficienții unei ecuații egalizate exprimă, înainte de orice, raportul de moli. Pentru reacția N2 + 3 H2 → 2 NH3, citirea corectă este: un mol de azot reacționează cu trei moli de hidrogen și formează doi moli de amoniac.
Din raportul de moli se deduc apoi celelalte rapoarte:
Ce nu se conservă: numărul de moli și volumul gazelor. În exemplul de mai sus, din 4 moli de reactanți gazoși rezultă doar 2 moli de produs. Se conservă masa și se conservă atomii, nu numărul de particule. Cine scrie că volumul se păstrează în orice reacție confundă legea lui Lavoisier cu legea lui Avogadro.
Algoritmul complet, în cinci pași, este cel care trebuie să devină automatism: 1. Scrii ecuația chimică egalizată. 2. Transformi datele din enunț în moli. 3. Aplici raportul molar dintre substanța cunoscută și cea cerută. 4. Transformi rezultatul în mărimea cerută (masă, volum, număr de particule). 5. Verifici unitățile și ordinul de mărime.
Pasul 1 este cel mai des sărit și cel mai scump: fără ecuația egalizată, raportul de la pasul 3 este greșit, iar toate calculele ulterioare, oricât de corecte aritmetic, nu mai valorează nimic.
Problema 1 (masă-masă). Ce masă de oxid de calciu se obține prin descompunerea a 250 g de carbonat de calciu?
Ecuația: CaCO3 → CaO + CO2 1. n(CaCO3) = 250 / 100 = 2,5 moli 2. Raportul din ecuație este 1 la 1, deci n(CaO) = 2,5 moli 3. m(CaO) = 2,5 · 56 = 140 g
Problema 2 (masă-volum). Ce volum de hidrogen, măsurat în condiții normale, se degajă la reacția a 13 g de zinc cu acid clorhidric în exces?
Ecuația: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 1. n(Zn) = 13 / 65 = 0,2 moli 2. Raportul Zn la H2 este 1 la 1, deci n(H2) = 0,2 moli 3. V(H2) = 0,2 · 22,4 = 4,48 L
Observă rolul cuvântului în exces: el îți spune că acidul nu limitează reacția, deci calculul se face exclusiv pe zinc. Când enunțul dă cantități pentru ambii reactanți, trebuie verificat care este limitantul.
Problema 3 (cu doi reactanți). Se pun în reacție 10 g de hidrogen cu 64 g de oxigen. Ce masă de apă se obține?
Ecuația: 2 H2 + O2 → 2 H2O 1. n(H2) = 10 / 2 = 5 moli; n(O2) = 64 / 32 = 2 moli 2. Raportul necesar este 2 la 1. Pentru 2 moli de O2 sunt necesari 4 moli de H2, iar noi avem 5. Deci oxigenul este reactantul limitant, iar hidrogenul este în exces cu 1 mol. 3. Calculul se face pe limitant: n(H2O) = 2 · n(O2) = 4 moli, deci m = 72 g.
Verificarea prin legea conservării masei: au reacționat 8 g de hidrogen și 64 g de oxigen, adică 72 g, iar 2 g de hidrogen au rămas nereacționate. Total 74 g la intrare, 72 + 2 = 74 g la ieșire.
Când enunțul dă cantitățile ambilor reactanți, unul se consumă complet și oprește reacția — acesta este reactantul limitant. Celălalt rămâne parțial neconsumat și se numește reactant în exces.
Metoda sigură de identificare, care nu dă greș niciodată: împarți numărul de moli al fiecărui reactant la coeficientul său din ecuație. Raportul cel mai mic indică limitantul.
Exemplu. Pentru 3 H2 + N2 → 2 NH3, dacă avem 6 moli H2 și 3 moli N2: - pentru H2: 6 / 3 = 2 - pentru N2: 3 / 1 = 3
Raportul mai mic aparține hidrogenului, deci hidrogenul este limitant, deși există mai mulți moli de hidrogen decât de azot. Aici e capcana centrală a subcapitolului: limitant nu înseamnă cel mai puțin, ci cel care se epuizează primul raportat la coeficienți. Cine se uită doar la cine are mai puțini moli sau mai puține grame greșește sistematic la orice reacție cu coeficienți diferiți de 1.
Toate cantitățile de produși se calculează exclusiv pe baza limitantului. Excesul rămas se află scăzând din cantitatea inițială cantitatea efectiv consumată.
În continuarea exemplului: hidrogenul limitant, 6 moli, consumă 2 moli de azot și produce 4 moli de amoniac. Rămâne un exces de 3 – 2 = 1 mol de azot.
Indicii din enunț care îți spun că nu trebuie să cauți limitantul: formulările acid în exces, soluție în exces, cantitate suficientă de sau simpla furnizare a unei singure cantități numerice. Dacă apare o singură cifră, ea este automat limitantul.
Cazul opus, la fel de important: dacă enunțul cere ce rămâne nereacționat, răspunsul nu este niciodată zero pentru exces și niciodată diferit de zero pentru limitant.
Problemele de examen combină aproape întotdeauna trei corecții. Ordinea în care le aplici hotărăște dacă rezultatul e corect.
Puritatea se referă la materia primă. Un calcar de puritate 80 la sută conține 80 g CaCO3 în fiecare 100 g de probă; restul sunt impurități care nu reacționează. Puritatea se aplică la început, ca să afli cât reactant util ai.
Randamentul se referă la desfășurarea reacției și se aplică la sfârșit, asupra produsului calculat teoretic: m practic = m teoretic · η / 100
Ordinea corectă, deci: puritate → moli → ecuație → produs teoretic → randament.
Exemplu complet. Ce masă de var nestins se obține din 500 kg de calcar cu puritatea 90 la sută, dacă randamentul este de 85 la sută? 1. Masa de CaCO3 pur: 500 · 0,90 = 450 kg 2. n(CaCO3) = 450 / 100 = 4,5 kmoli 3. Raport 1 la 1, deci teoretic 4,5 kmoli CaO, adică 4,5 · 56 = 252 kg 4. Practic: 252 · 0,85 = 214,2 kg
Problema inversă cere aceleași etape, parcurse invers: dacă vrei să obții practic 214,2 kg CaO cu randament 85 la sută, ai nevoie de 214,2 / 0,85 = 252 kg teoretic, adică de 450 kg CaCO3 pur, adică de 500 kg calcar la puritatea 90 la sută. Când mergi invers, la randament și puritate împarți, nu înmulțești — inversarea acestei operații este greșeala numărul unu la problemele de tip cât materie primă îmi trebuie.
Două verificări de bun-simț care te salvează în examen. Prima: randamentul nu depășește niciodată 100 la sută; dacă îți iese peste, ai inversat raportul. A doua: masa produsului practic obținut trebuie să fie mai mică decât cea teoretică, iar masa de reactant necesar în problema inversă mai mare decât cea stoechiometrică. Dacă rezultatele merg în direcția opusă, ai împărțit unde trebuia să înmulțești.