Formule Chimie [PDF]

Zitiervorschau

Ecuaţia de stare a gazului ideal: P·V=ν·R·T P = presiunea gazului, în atm (1 atm = 760 mmHg = 760 torri = 1,013 ·105 Pa) V = volumul gazului, în L 1 Pa=1 N/m2 , ν = numărul de moli de gaz, în moli R = constanta universală a gazelor perfecte = 0,082 dm3 · atm / K · mol T = temperatura, în K ( T = t + 273 ) 1 J = 1 N*m Relaţia dintre numărul de moli şi masă: m n=

(1)

n = numărul de moli m = masa M = masa moleculară

M m=n·M

(2)

Relaţia se utilizează pentru transformarea masei în moli (1) sau a molilor în masă (2) Unităţile de măsură: mol grame sau kmol kg grame mol sau kg kmol Relaţia dintre numărul de moli şi volum: V = n · V0

V0 = volumul molar (volumul ocupat de un mol de gaz) =22,4 L

V = n · 22,4 (1) V n=

relaţiile se utilizează pentru transformarea molilor în volum (2) (1) sau a volumului în moli (2)

22,4 Unităţile de măsură: mol L

L sau kmol mol sau m3

m3 kmol

Relaţia dintre masă şi volum: m V = M 22,4 Densitatea relativă a unui gaz în raport cu un gaz de referinţă (d) Gazul de referinţă poate fi: aerul, CO2, H2, N2, etc... M d= Mgaz de referinţă M = masa moleculară a substanţei necunoscute Mgaz de referinţă = masa moleculară a gazului de referinţă (exemplu: Maer = 28,9 g/mol MN2 = 2·14 = 28 g/mol Exemplu de exerciţiu: Să se identifice alcanul care are densitatea în raport cu aerul egală cu 1,52. Malcan = d · Maer Malcan = 1,52 · 28,9 Malcan = 44 g/mol Formula generală a alcanilor este CnH2n+2 Malcan = 12n + 2n + 2 = 14n +2 14n + 2 = 44 n=3 Alcanul are formula moleculară C3H8 şi este propanul Densitatea gazelor m ρ= V ρ = densitatea gazului, în g/cm3 m = masa gazului, în g V = volumul gazului, care trebuie în cm3 dacă densitatea are unitatea de măsură g/cm3

Alte relaţii între unităţi de măsură: 1 m3 = 1000 dm3 = 1000 L 1 L = 1000 cm3

1 kmol = 1000 moli 1 mol = 1000 mmol (milimoli) 1 kg = 1000 g

Soluţii O soluţie este un amestec omogen de două sau mai multe substanţe Concentraţiile soluţiilor: 1. Concentraţia procentuală masică cp (c%) = cantitatea de substanţă dizolvată în 100 grame de soluţie md C% = · 100 ms = md + msolvent ms În general solventul este apa. md = masa de substanţă dizolvată, în g sau Kg ms = masa de soluţie , în grame sau Kg Atenţie! În ecuaţiile reacţiilor chimice se trec sau se calculează numai cantităţi de substanţă dizolvată md

2. Concentraţia molară (cm, cM sau M ) (În variantele de bacalaureat se foloseşte de obicei simbolul M) Concentraţia molară reprezintă numărul de moli de substanţă dizolvată la un litru de soluţie n CM = VS CM = concentraţia molară (mol/L) n = numărul de moli de substanţă dizolvată VS = volumul soluţiei, în L md n= M

md CM = M · VS

Un exemplu de problemă: Acidul butanoic este acidul gras care se găseşte în unt. a) Scrieţi ecuaţia reacţiei acidului butanoic cu soluţie de hidroxid de sodiu. b) Calculaţi volumul soluţiei de hidroxid de sodiu de concentraţie 1M necesar stoechiometric pentru a neutraliza 17,6g acid butanoic.

Volumul soluţiei de NaOH de concentraţie molară 1M se calculează din relaţia de calcul a concentraţiei molare n CM = VS Pentru a afla volumul de NaOH nu ştim numărul lui de moli (n). Acesta îl calculăm de pe ecuaţie , în funcţie de masa de acid butanoic (17,6g) 88g 1 mol CH3 – CH2 – CH2 – COOH + NaOH = CH3 – CH2 – CH2 – COONa +H2O 17,6g x moli x = 0,2 moli NaOH Ultima etapă: calculăm volumul de NaOH din concentraţia molară: n 0,2 V= V= = 0,2 L soluţie NaOH CM 1

Noţiuni de tehnologie chimică : cu , ct şi η Într-un proces industrial de obţinere a unei anumite substanţe apar şi reacţii secundare. De asemenea, nu toată cantitatea de materie primă introdusă se transformă. Uneori, se adaugă materie primă în exces, pentru obţinerea de randamente maxime. (condiţii optime de lucru) Substanţa pentru care se face reacţia poartă denumirea de produs util. Exemplu de problemă: Se alchilează benzenul cu propenă. La obţinerea izopropilbenzenului, în vasul de alchilare se obţine un amestec format din izopropilbenzen, diizopropilbenzen şi benzen nereacţionat, în raport molar de 4:2:1. a) Calculaţi raportul molar benzen : propenă la introducerea în proces. b) calculează conversia utilă, conversia totală şi randamentul faţă de materia primă transformată; c) Calculaţi volumul de benzen (ρ=0,88 g/cm3 ), necesar obţinerii a 36 g izopropilbenzen. Se scriu ecuaţiile reacţiilor chimice: C6H6 + 4x

C3H6 4x

C6H5(C3H7) 4x

(1)

C6H6 + 2 C3H6 2x 4x

C6H4(C3H7)2 2x

(2)

C6H6 x

C6H6 x

(3)

4:2:1 / · x

Astfel: 4x = numărul de moli de materie primă (benzen)consumat în reacţia (1) 2x = numărul de moli de materie primă (benzen)consumat în reacţia (2) x = numărul de moli de materie primă (benzen) rămasă netransformată Numărul total de moli de materie primă (benzen) introdusă = 4x + 2x + x = 7x Numărul de moli de propenă introdusă = 4x + 4x = 8x a) raportul molar benzen: propenă la introducerea în proces = 7x : 8x = 7 : 8

b) Reacţia principală este prima reacţie, produsul util este izopropilbenzenul , se formează în cantitatea cea mai mare. De obicei se spune din problemă cine este produsul util Conversia utilă se calculează cu relaţia: Moli materie primă (benzen) transformaţi în produs util Cu =

· 100 Moli materie primă (benzen) introdusă 4x

Cu =

· 100 = 57,14 % 4x + 2x + x

Conversia totală se calculează cu relaţia: Moli materie primă (benzen) transformaţi în diferiţi produşi Ct =

· 100 Moli materie primă (benzen) introdusă 4x + 2x

Ct =

· 100 = 85,71 % 4x + 2x + x

Randamentul , în cazul când au loc mai multe reacţii: Cu

57,14

η=

· 100 = Ct

· 100 = 66,66 % 85,71

c) Calculaţi volumul de benzen (ρ=0,88 g/cm3 ), necesar obţinerii a 36 g izopropilbenzen. mizopropilbenzen = 4x · 120 = 480x grame 480x = 36 x = 0,075 moli benzen introduşi = 7x = 7 · 0,075 = 0,525 moli benzen masa de benzen = 0,525 · 78 = 40,95 grame

m ρ=

m V=

40,95 V=

= 46,53 cm3

V Puritatea (p)

ρ

0,88

Pentru că nici materiile prime, nici substanţele rezultate nu sunt pure 100 % , în calcule intervine şi puritatea, notată cu p Cantitatea pură p= · 100 Cantitatea impură Cantităţile pure şi impure se pot exprima în mase, volume sau moli. Atenţie! În ecuaţiile reacţiilor chimice se trec sau se calculează numai cantităţi pure !

Randamentul faţă de cantitatea de produs rezultat: Cp η =

· 100 Ct

Cp = cantitatea de produs obţinută practic (efectiv) Ct = cantitatea de produs ce ar trebui să se obţină şi care se calculează teoretic pe baza ecuaţiei reacţiei chimice Atenţie! În ecuaţiile reacţiilor chimice se trec sau se calculează numai cantităţile teoretice !

Un exemplu de problemă: 1. Scrieţi ecuaţia reacţiei propenei cu H2O ( H2SO4). 2. Calculaţi volumul de propenă (măsurat în condiţii normale) necesar reacţiei, ştiind că s-au obţinut 4,8 kg propanol, la un randament de 80%.

Cantitatea de propanol de 4,8 Kg este cantitatea de produs obţinută practic (Cp ) 4,8 · 100 Aplic randamentul şi calculez Ct Ct = = 6 Kg propanol 80

Scriu ecuaţia reacţiei chimice şi calculez volumul de propenă (c.n) :

22,4 m3 CH2=CH-CH3 + H2O

60 Kg CH3 – CH – CH3 OH

X m3

6 Kg

X = 2,24 m3 propenă Alte observaţii: - procentele molare sunt egale întotdeauna cu procentele volumetrice - amestec echimolecular = număr egal de moli Dacă numărul de moli este egal, atunci şi volumele sunt egale. (dacă n1 = n2 , atunci V1 = V2 ) - un raport de mase se poate transforma într-un raport molar, fiecare masă se împarte la masa moleculară a substanţei respective, apoi se înmulţeşte cu un număr astfel încât sa dea valori întregi - un raport de moli se poate transforma într-un raport masic, fiecare număr se înmulţeşte cu masa moleculară a substanţei respective, apoi se înmulţeşte cu un număr astfel încât sa dea valori întregi Alte exerciţii: a) Să se calculeze raportul masic de combinare a elementelor în butan: Butanul are formula moleculară C4H10 Masa de carbon = 4 · 12 = 48 g Masa de hidrogen = 10 · 1 = 10 g Se raportează masele celor 2 elemente : 48 : 10 = 24 : 5 b) Să se calculeze raportul atomic de combinare a elementelor în butan: atomi carbon = 4 atomi hidrogen = 10

se raportează atomii celor 2 elemente

4: 10 = 2 : 5