BÖLÜM 2 KİMYASAL HESAPLAMALAR

BÖLÜM 2 KİMYASAL HESAPLAMALAR

2.1 Mol kavramı

2.2 Ortalama mol kütlesinin bulunması

2.3 Kimyasal formüllerin bulunması

2.4 Kimyasal reaksiyonlar ve Kimyasal reaksiyonların denkleştirilmesi

2.5 Kimyasal reaksiyonlarla ilgili hesaplamalar

Aşağıda verilen özet bilginin ayrıntısını, ders kitabı

olarak önerilen, Erdik ve Sarıkaya’nın “Temel

Üniversitesi Kimyası" Kitabı’ndan okuyunuz.

2.1

Mol Kavramı

Latincede, çok büyük sayıları ifade etmede kullanılan ve büyük yığın anlamına gelen mol,

12 g (karbon-12) izotopundaki atom sayısı kadar parçacık içeren madde miktarıdır.

Tek bir karbon-12 izotopunun kütlesi kütle spektroskopisiyle 1,9926×10-23 _{g olarak}

bulunduğuna göre; 12 g karbon-12 izotopunun içerdiği karbon atom sayısı 6,022×1023_’tür. Bu sayı AVOGADRO SAYISI (N_A) olarak bilinir.

C

12

6

6,022×10

23

_{tane tür = 1 mol tür (atom, iyon, molekül, elektron……..)}

1 mol element

6,022×10

23

_{kadar atom içerir. (1 mol O,}

_6,022×10

23

_{tane O atomu içerir.)}

1 mol bileşik

6,022×10

23

_{kadar molekül içerir. (1 mol O}

6,022×10

23

_{tane tür = 1 mol tür (atom, iyon, molekül, elektron……..)}

1 mol atomunun(elementin) kütlesi g cinsinden atom kütlesine eşittir ve M ile gösterilir, birimi g/mol’dür.

Örneğin; 1 mol O atomu(elementi), 16 g’dır (M_o: 16 g/mol) ve 6,022×1023 _{kadar O atomu içerir.}

1 mol molekülün(bileşiğin) kütlesi g cinsinden molekül kütlesine eşittir.

Örneğin; 1mol Ca(NO₃)₂’ın içerdiği her bir element atomunun g cinsinden mol kütlelerinin formüldeki mol sayılarıyla çarpılması sonucu elde edilen g kadar molekül kütlesine sahiptir.

kütlesi(M)

molekül

kütle(m)

n



Örnek Soru: Aşağıdakileri hesaplayınız(Al: 27,0 g/mol; S:32,0 g/mol; O: 16,0 g/mol).

a) 3,42 g Al₂(SO₄)₃kaç moldür?

b) 1,230×1023 _taneAl

2(SO4)3kaç moldür?

c) 34,2 g Al₂(SO₄)₃’de kaç tane molekül vardır?

d) 34,2 g Al₂(SO₄)₃’de kaç tane S atomu bulunur?

e) 1,230×1023 _taneAl

2(SO4)3kaç g O içerir?

f) 3,42 g Al₂(SO₄)₃kaç g Al içerir?

Çözüm: a) 3,42 g Al₂(SO₄)₃kaç moldür? Önce, bu bileşik için mol kütlesi hesaplanır. Sonra 3, 42 g’ının kaç mol olduğuna ister oran-orantı yoluyla ister mol sayısı formülünden yararlanılarak ulaşılır.

342 g Al₂(SO₄)₃ 1 mol ise

3,42 g Al₂(SO₄)₃ x

x= 0,01 mol

1 mol Al₂(SO₄)₃’ün kütlesi yani molekül kütlesi = (2x 27,0) + (3x 32,0) + (12x16,0)= 342 g/mol

01

,

0

342

42

,

3

kütlesi(M)

molekül

kütle(m)

n







_veya

mol

01

,

0

)

(SO

Al

g

342

)

(SO

Al

1mol

)

(SO

Al

g

42

,

3

)

(SO

?molAl

3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2







b) 1,230×1023 _taneAl

2(SO4)3kaç moldür? 6,022×1023 _taneAl

2(SO4)3 1 mol ise 1,230×1023 _taneAl

2(SO4)3 x x= 0,2042 mol

c) 34,2 g Al₂(SO₄)₃’de kaç tane molekül vardır?

342 gAl₂(SO₄)₃ 1 mol ise

34,2 g Al₂(SO₄)₃ x

x= 0,1 mol

1 mol Al₂(SO₄)₃ 6,022×1023 _taneAl

2(SO4)3 molekülü içerirse 0,1 mol Al₂(SO₄)₃ x

x= 6,022 ×1022 _{tane molekül içerir}

içerir. molekülü ) (SO Al tane 10 022 , 6 ) (SO Al 1mol molekül tane 10 022 , 6 ) (SO Al g 342 ) (SO Al 1mol ) (SO Al g 2 , 34 ?molekül 3 4 2 22 3 4 2 23 3 4 2 3 4 2 3 4 2 x x    

d) 34,2 g Al₂(SO₄)₃’de kaç tane S atomu bulunur?

e) 1,230×1023 _taneAl

2(SO4)3 kaç g O içerir?

içerir. O g 216 , 39 O mol 1 O g 16,0 ) (SO Al 1mol O mol 12 ) (SO taneAl 6,022x10 ) (SO Al 1mol ) (SO Al tane 10 230 , 1 O ?g 3 4 2 3 4 2 23 3 4 2 3 4 2 23      x içerir. molekülü ) (SO Al tane 10 8066 , 1 S mol 1 atomu S tane 6,022x10 ) (SO Al 1mol S mol 3 ) (SO Al g 342 ) (SO Al 1mol ) (SO Al g 2 , 34 atom ?S 3 4 2 23 23 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 x     

f) 3,42 g Al₂(SO₄)₃ kaç g Al içerir?

içerir. Al g 54 , 0 Al mol 1 Al g 27,0 ) (SO Al 1mol Al mol 2 ) (SO Al g 342 ) (SO Al 1mol ) (SO Al g 42 , 3 Al ?g 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2     

2.2 Ortalama mol kütlesinin bulunması

Doğada elementler izotoplarının karışımı olarak bulunurlar. Bir elementin ortalama mol kütlesi herbir izotop atomunun kütlesi ve doğal bolluk kesirlerinden yararlanılarak

hesaplanır.

35_{Cl –}37_Cl 24_{Mg –}25_{Mg –} 26_Mg 32_{S –}33_{S –} 34_S

Örnek Soru: Doğal bir Mg numunesinin %78,99’u 24Mg(3,983×10-23_{g), %10,00’u} 25Mg(4,149×10-23_g)

ve %11,01’i 26Mg(4,315×10-23_{g)’dır. Buna göre doğal magnezyumun ortalama kütlesini hesaplayınız.}

g x x x x x x x 23 24 24 23 23 23 23 10 036 , 4 10 751 , 4 10 149 , 4 10 146 , 3 ) 100 11,01 10 315 , 4 ( ) 100 10,00 10 149 , 4 ( ) 100 78,99 10 983 , 3 ( kütlesi ort. atomunun Mg                 

2.3 Kimyasal formüllerin bulunması

Ampirik formül(basit formül) Molekül formülü

Bileşiğin yapısındaki elementlerin bileşimi, bağıl atom sayıları hakkında bilgi verir.

Bileşiğin yapısındaki elementlerin bileşimi, gerçek ve bağıl atom sayıları hakkında bilgi verir.

Yapı formülü

Bileşiğin yapısı hakkında bilgi verir.

Ampirik formülünün ve molekül formülünün belirlenmesinde bileşiğin yapısındaki elementlerin kütlece yüzde bileşiminden de yararlanılır.

100

kütlesi

)

ğin

bileşi

numunenin(

kütlesi

numunedeki

elementin

bilesim

%

kütlece





Ampirik ve Molekül Formüllerinin Bulunması ile İlgili Örnek Soru ve Çözümü

Soru: % 40,9 karbon, %4,58 hidrojen ve %54,5 oksijen içeren C-vitamininin a) ampirik formülünü (A.F.) b) denel mol kütlesi 176, 14 g/mol ise molekül formülünü bulunuz (C: 12,01 g/mol; H: 1,008 g/mol; O: 16,0 g/mol).

3

3

1

405

,

3

/

406

,

3

0

,

16

5

,

54

M

m

n

4

99

,

3

3

33

,

1

405

,

3

/

544

,

4

008

,

1

58

,

4

M

m

n

3

3

1

405

,

3

/

405

,

3

01

,

12

9

,

40

M

m

n

O O O H H H C C C







































a)

C

₃

H

₄

O

₃ b)

00

,

2

06

,

88

14

,

176

M

M

n

.F. denel

_

_



A A.F.

2x (C

₃

H

₄

O

₃

)= C

₆

H

₈

O

₆

molekül formülüdür.

Çözüm:

2.4 Kimyasal Reaksiyonlar ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi

1. Çökme reaksiyonları: Normal olarak çözünen iki elektrolit çözeltisi karıştırıldığında çözünmeyen bir katının oluştuğu reaksiyonlardır.

2. Kompleksleşme reaksiyonları: Elektron çifti sunabilen maddelerle metallerin verdiği reaksiyonlardır.

3. Asit-baz ve nötralleşme reaksiyonları (sonraki bölümlerde detaylı olarak işlenecektir): Sulu çözeltilerde reaksiyona girenler arasında H+ _{iyonunun aktarılması esasına dayanır.}

4. Yanma reaksiyonları: Organik bileşiklerin oksijenin aşırısında yanması sonucu CO₂ ve H₂O’nun oluştuğu reaksiyonlar olup, yanma analizleriyle de bir bileşiğin basit formülü hesaplanabilir. 5. Redoks reaksiyonları: Elektron alış-verişi olan yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarıdır. 6. Çekirdek reaksiyonları (sonraki bölümlerde işlenecektir): Yukarıda sayılanlardan farklı olarak

çekirdekteki değişimleri içine alan, proton ve nötronları bulunduran çekirdeğin de değişikliğe uğradığı reaksiyonlardır.

Bir maddenin başla bir maddeye dönüştüğü kimyasal değişime neden olan olaya Kimyasal reaksiyon denir. Bu olayların çok çeşitli olduğu düşünülmesine rağmen temelde reaksiyona girenlerle reaksiyon sonucunda oluşan ürünler arasında elektron alış-verişi olanlar ve olmayanlar şeklinde gruplandırmak mümkündür.

Bazı Kimyasal Reaksiyonlara Örnekler ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi

Çökme reaksiyonlarına örnek:

Molekül denklemi: Hg₂(CH₃COO)₂(aq) + 2NaI(aq) Hg₂I₂(k) + 2NaCH₃COO(aq)

Toplam iyonik denklem:

Net iyonik denklem:

(aq)

2Na

(aq)

COO

2CH

(k)

I

Hg

(aq)

2I

(aq)

2Na

(aq)

COO

2CH

(aq)

Hg

2₂



₃ 











_{2 2}



₃ 





(k)

I

Hg

(aq)

2I

(aq)

Hg

2₂







_{2 2}

Asit-baz ve nötralleşme reaksiyonlarına örnek:

HClO₄(aq) + Mg(OH)₂(aq) H₂O(s) + Mg(ClO₄)₂(aq)

(Kuvvetli asit ve kuvvetli bazdan, tuz ve su oluşumunu gösteren nötralleşme reaksiyonu)

HCl(aq) + H₂O(aq) H₃O+_{(aq) + Cl}-_(aq)

(Proton aktarımı: kuvvetli bir asidin suda hidrolizine ait reaksiyon)

Arrhenius, Bronsted-Lowry ve Lewis asit-baz tanımları sonraki bölümlerde daha detaylı anlatılacağı için burada değinilmemiştir. Ancak, sulu çözeltilerde, en çok Bronsted-Lowry asit-baz tanımından yararlanarak karşısındakine proton(H+_{) veren maddeler asit,} karşısındakinden proton alan maddeler baz olarak tanımlanır. Aralarında bir protonluk ilişki olan asit-baz çiftlerine konjuge asit-baz çifti denir.

Buna göre aşağıdaki reaksiyonlarda girenlerdeki bazlar ve ürünlerdeki konjuge asit-bazları işaretlenmiştir.

kuvvetli asit kuvvetli baz

kuvvetli asit _baz

tuz

CH₃COOH(aq) + H₂O(s) CH₃COO-_{(aq) + H}

3O+(aq)

(Proton aktarımı: zayıf bir asidin suda hidrolizine ait reaksiyon)

zayıf asit baz asidin konjuge bazı _{bazın konjuge asidi} zayıf baz asit _{asidin konjuge bazı bazın konjuge asidi}

NH₃(aq) + H₂O(s) OH-_{(aq) + NH}

4+(aq)

Kimyasal Reaksiyonlara örnekler ve Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi Yükseltgenme-İndirgenme (Redoks) Reaksiyonları ve Denkleştirilmesi:

Yükseltgenme: Bir atomun elektron vererek yükseltgenme sayısının artması olayıdır.

İndirgenme: Bir atomun elektron alarak yükseltgenme sayısının azalması olayıdır. Yükseltgenme sayısı(yükseltgenme basamağı):

Bir atomun sahip olmuş olduğu görünen elektron yüküdür.

İndirgen: Karşısındakini indirgerken kendisi yükseltgenen atom veya onu içeren bileşiktir.

Yükseltgen: Karşısındakini yükseltgerken kendisi indirgenen atom veya onu içeren bileşiktir.

2 4 3 2 4 2 2 8 3 4 3 2 2

KO

KClO

KClO

KClO

KClO

MnO

NO

Cl

S

PO

Al

Na

S

I

Hg

        +2 -1 -2 +1 +3 +5 -2 0 0 +3 -2 +7 -2 +1 +3 -2 +1 +7 -2 +1 +1 -2 +1 +5 -2 +1 -1/2

Yükseltgenme basamağı sayıları kaynak ders kitabında belirtilen şekilde hesaplanarak önce redoks reaksiyonunda indirgenen ve yükseltgenen elementler işaretlenir.

Sonra denkleştirmede kullanılan “Yükseltgenme basamağı sayısının değişmesi yöntemi” veya

“İyon-elektron yöntemi”ne göre yarı reaksiyonlar yazılarak alınıp verilen elektron sayıları hesaplanır

*

.

Elektron sayısı uygun katsayılarla eşitlenir.

Kütlenin korunumu yasası dikkate alınarak diğer katsayılar da yazıldıktan sonra, varsa reaksiyonun en sade haliyle de yazılması için gereken düzenleme yapılarak denkleştirme tamamlanır.

*

_{Bu yöntemler kullanılarak denkleştirmenin nasıl yapıldığı ders için yararlanılan Temel Kimya}

kaynaklarında daha ayrıntılı anlatılmaktadır. İyon-elektron yöntemi için ortamın asidik ve bazik olmasına göre denkleştirmenin kuralları farklılık göstermektedir.

Yükseltgenme basamağı sayısının değişmesi yöntemine örnektir:



Kütlenin korunumu yasasına göre girenler ve ürünler kütlece eşittir.



Toplam yük her iki tarafta -10’dur.

Reaksiyonun denkleştirilmiş EN SADE şekilde yazılması için katsayılar 2’ye bölünürse son hali:

   

_

_

_





3

I

5

ClO

6

IO

5

Cl

6

H

O

H

3

_{2 2 3 3}              





























H

12

Cl

10

IO

12

10ClO

6I

O

H

6

Cl

10

Cl

10

e

60

e

60

I

12

6I

Cl

Cl

6e

x

10

10e

2I

I

6x

3 3 2 2 5 5 2 5 5 2    

_

_

_





I

ClO

IO

Cl

H

O

H

_{2 2 3 3} +1 -2 0 +5 -2 +5 -2 -1 +1

İyon-elektron yöntemine asidik ortam için örnektir: 2 2 3 2 7 2 2 2 3 2 7 2 2 2 3 2 7 2

Cl

3

O

7H

Cr

2

Cl

6

O

Cr

H

14

e

6

Cl

3

Cl

6

O

7H

Cr

2

O

Cr

H

14

6e

e

2

Cl

Cl

2

x

3

O

7H

Cr

2

O

Cr

H

14

6e





































               

ortam)

(asidik

Cl

Cr

Cl

O

Cr

_{2 7}2







3



₂ +6 -2 -1 +3 0

İyon-elektron yöntemine bazik ortam için örnektir:

ortam)

(bazik

N

MnO

H

N

MnO

₄



_{2 4}



₂



₂            













































OH

4

MnO

4

O

H

4

N

3

O

3N

MnO

4

e

12

O

H

12

N

3

O

3N

OH

12

OH

16

MnO

4

MnO

4

O

8H

12e

4e

O

4H

N

O

N

4OH

x

3

4OH

MnO

MnO

O

2H

3e

4x

2 2 2 4 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2 2 4 2 2 4 2 +7 -2 -2 +1 +4 -2 0

2.5

Kimyasal reaksiyonlarla ilgili hesaplamalar

A + B

C + D şeklindeki bir kimyasal reaksiyon uygun katsayılarla

denkleştirildikten sonra :

a)

A’nın miktarına göre gerekli olan B miktarı hesaplanabilir.

b)

B’nın miktarına göre gerekli olan A miktarı hesaplanabilir.

c)

Oluşan ürünlerin (C, D) miktarı reaksiyona giren maddelerden

sınırlayıcı

bileşen

olan reaktife bağlıdır.

d)

Reaksiyona girmeden kalan(artan) madde miktarı hesaplanabilir.

e)

Sınırlayıcı bileşen aynı zamanda

reaksiyon verimini

de belirler.

Sınırlayıcı bileşen: Verilen bir reaksiyon için, reaksiyona giren maddelerden teorik olarak gerekli madde miktarından az olandır.

Reaksiyon verimi: Bir reaksiyon sonucunda girenlerin tamamının teorik olarak beklenen ürüne dönüşmesi ve verimin %100 olması istenilen bir durum olsa da, bazı deneysel

nedenlerden dolayı yan reaksiyonların oluşmasıyla teorik olarak beklenen ürün miktarına ulaşmak her zaman mümkün olamamaktadır. Bu durumda verim %100’den büyük veya küçük olabilmektedir.

100

miktarı

ürün

gereken

bulunmas ı

olarak

Teorik

miktarı

ürün

bulunan

olarak

Deneysel

verimi

%

n

Reaksiyonu





Kimyasal reaksiyonlarda hesaplamalarla ilgili örnek:

Soru: Aşağıdaki reaksiyona göre 74,2 g’lık bir alüminyum numunesi, 2,1081024 _{tane mangan} (II)oksit molekülü ile reaksiyona girince katı alüminyum oksit ve mangan elde edilmektedir. Buna göre reaksiyonda (a) sınırlayıcı bileşen hangisidir? (b) geriye hangi maddeden kaç g artar? (c) kaç gram Al₂O₃ oluşur? (d) 105,9 g Al₂O₃ elde edildiğine göre reaksiyonun verimini hesaplayınız (e) reaksiyonda çıkış maddesi olarak 5,4 g Al kullanılıyor olsaydı gerekli olan MnO(k) miktarını hesaplayınız (Al: 26,98 g/mol; Mn: 54,94 g/mol; O: 16,0 g/mol)

Al(k) + MnO(k) Al₂O₃(k) + Mn(k)

(a) sınırlayıcı bileşen hangisidir?

mol

50

,

3

6,022x10

2,108x10

n

mol

75

,

2

26,98

74,2

n

23 24 MnO Al









Sonra, çıkış maddelerinin mol sayıları hesaplanır:

2Al(k) + 3MnO(k) Al₂O₃(k) + 3Mn(k) Önce verilen kimyasal reaksiyon denkleştirilir:

.

gereklidir

Al

mol

33

,

2

MnO

mol

3

Al

mol

2

MnO

mol

50

,

3

Al

?mol







Hesaplanan mol sayıları için teorik olarak gerekli diğer çıkış maddesinin mol sayısı hesaplanır. Bu miktarlara göre girenlerden biri tamamen harcanırken diğerinden bir miktarın arttığı görülecektir.

.

gereklidir

MnO

mol

125

,

4

Al

mol

2

MnO

mol

3

Al

mol

750

,

2

MnO

?mol







 Başlangıçta elimizde 2,75 mol Al olduğu için, reaksiyonun gerçekleşmesi amacıyla 3,50 mol MnO için gerekli 2,33 mol Al sağlanmaktadır. Bu durumda, elimizdeki 3,50 mol MnO’nun tamamı tükenmektedir.

 Başlangıçta elimizde 3,50 mol MnO olduğu için, reaksiyonun gerçekleşmesi amacıyla 2,75 mol Al için gerekli 4,125 mol MnO sağlanamamaktadır.

 MnO’nun tamamı tükendikten sonra reaksiyon sonlanır. Al’dan bir miktar artar.

(b) geriye hangi maddeden kaç g artar? Al’dan bir miktar artar.

(c) kaç gram Al₂O₃ oluşur? Bu ürünün miktarını sınırlayıcı bileşen olan MnO belirler.

artar.

Al

g

33

,

11

Al

mol

1

Al

g

26,98

Al

mol

2,33)

-75

,

2

(

Al

g

Artan







O

Al

g

95

,

118

O

Al

mol

1

O

Al

g

(16x3)]

[(26,98x2)

MnO

mol

3

O

Al

mol

1

MnO

mol

50

,

3

O

Al

g

?

_{2 3} 3 2 3 2 3 2 3 2











(d) 105,9 g Al₂O₃ elde edildiğine göre reaksiyonun verimini hesaplayınız. Teorik olarak 3,50 mol MnO’dan oluşması gereken Al₂O₃ miktarı 118,95 g olarak

hesaplanmıştı.Buna göre;

(e) reaksiyonda çıkış maddesi olarak 5,4 g Al kullanılıyor olsaydı gerekli olan MnO(k)

miktarını hesaplayınız . Denkleştirilmiş reaksiyona göre birim yok etme yöntemiyle 5,4 g Al için gereken MnO miktarı hesaplanır.

02

,

89

%

100

118,95

g

105,9

verimi

%

n

Reaksiyonu







olurdu. gerekli MnO g 298 , 21 MnO mol 1 MnO g 16) (54,94 Al mol 2 MnO mol 3 Al g 26,98 Al mol 1 Al g 4 , 5 MnO ?g      