درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل دوم: استوکیومتری واکنشها
از هر گاز چقدر؟
واکنش گازها در صنعت، اهمیت و کاربردهای بسیاری دارد بهطوری که هر یک از فرایندهای تهیۀ سولفوریک اسید و نیتریک اسید شامل چندین واکنش گازی متوالی است. یکی از این واکنشها، تبدیل گاز گوگرد دیاکسید به گوگرد تریاکسید است.
$2SO_2(g)+O_2(g) \to 2SO_3(g)$
در معادلۀ موازنه شدۀ این واکنش، دو مول گاز گوگرد دیاکسید با یک مول گاز اکسیژن واکنش میدهد و دو مول گاز گوگرد تریاکسید تولید میشود؛ با این توصیف میتوان گفت نسبت مولی اکسیژن مصرف شده به گوگرد تریاکسید تولید شده، 1 به 2 است؛ به دیگر سخن نسبتهای کمّی زیر برقرار است:
$\frac{2molS{{O}_{3}}}{1mol{{O}_{2}}}$ و $\frac{1mol{{O}_{2}}}{2molS{{O}_{3}}}$
به هر یک از این نسبتها یک عامل (کسر) تبدیل میگویند که میتوان با استفاده از آنها شمار مولهای یک شرکت کننده در واکنش را از شمار مولهای دیگری به دست آورد.
نمونۀ حل شده
برای تولید 8 مول گازگوگرد تری اکسید به چند مول گاز اکسیژن نیاز است؟
پاسخ:
$?mol{{O}_{2}}=8{molS{{O}_{3}}}\times \frac{1mol{{O}_{2}}}{2{molSO3}}=4mol{{O}_{2}}$
به بخشی از دانش شیمی که به ارتباط کمّی میان مواد شرکت کننده (واکنش دهندهها و فراوردهها) در هر واکنش میپردازد، استوکیومتری واکنش میگویند. دانشی که کمک میکند تا شیمیدانها و مهندسان در آزمایشگاه و صنعت با بهرهگیری از آن، مشخص کنند که برای تولید مقدار معینی از یک فراورده به چه مقدار از هر واکنش دهنده نیاز است.
به بخشی از دانش شیمی که به ارتباط کمّی میان مواد شرکت کننده (واکنش دهندهها و فراوردهها) در هر واکنش میپردازد، استوکیومتری واکنش میگویند. دانشی که کمک میکند تا شیمیدانها و مهندسان در آزمایشگاه و صنعت با بهرهگیری از آن، مشخص کنند که برای تولید مقدار معینی از یک فراورده به چه مقدار از هر واکنش دهنده نیاز است.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 80 کتاب درسی)
معادلۀ واکنش اکسایش گلوکز برای تولید انرژی در بدن به صورت زیر است:
انرژی $C_{6}H_{12}O_{6}(aq)+6O_2(g) \to 6CO_2(g)+6H_2O(l)+$
آ) بدن انسان در هر شبانه روز به طور میانگین 2/5 مول گلوکز مصرف میکند. برای مصرف این مقدار گلوکز به چند مول اکسیژن نیاز است؟
$2/5mol\times \frac{6mol{{O}_{2}}}{1mol}=15mol{{O}_{2}}$
ب) این مقدار اکسیژن هم ارز با چند لیتر اکسیژن در STP است؟
راهنمایی: برای حل میتوان یکی از عاملهای تبدیل زیر را به کار برد:
$\frac{22/4L{{O}_{2}}}{1mol{{O}_{2}}}$ و $\frac{1mol{{O}_{2}}}{22/4L{{O}_{2}}}$
$15mol{{O}_{2}}\times \frac{22/4L{{O}_{2}}}{1mol{{O}_{2}}}=336L{{O}_{2}}$
پ) این مقدار اکسیژن هم ارز با چند گرم اکسیژن است؟
راهنمایی: برای حل میتوان یکی از عاملهای تبدیل زیر را به کار برد:
$\frac{32g{{O}_{2}}}{1mol{{O}_{2}}}$ و $\frac{1mol{{O}_{2}}}{32g{{O}_{2}}}$
$15mol{{O}_{2}}\times \frac{32g{{O}_{2}}}{1mol{{O}_{2}}}=480g{{O}_{2}}$
ت) دانش آموزی برای یافتن جرم آب تولید شده از اکسایش 2/5 مول گلوکز از عاملهای تبدیل در روند زیر استفاده کرده است. هر یک از جاهای خالی را با کمیت مناسب پر کنید.
$?g{{H}_{2}}O=2/5mol{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}\times \frac{6mol{{H}_{2}}O}{1mol{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}}\times \frac{18g{{H}_{2}}O}{1mol{{H}_{2}}O}=270g{{H}_{2}}O$
ث) گاز حاصل از اکسایش کامل این مقدار گلوکز در STP چند لیتر حجم دارد؟
$2/5mol{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}\times \frac{6molC{{O}_{2}}}{1mol{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}}\times \frac{22/4L{{C}_{2}}}{1molC{{O}_{2}}}=336LC{{O}_{2}}$
خود را بیازمایید (صفحهٔ 80 کتاب درسی)
فسفر تریکلرید یک ماده تجاری مهم است که در تهیه حشرهکشها کاربرد فراوانی دارد. این ترکیب مطابق واکنش شیمیایی زیر تهیه میشود.
${P_4}(s) + C{l_2}(g) \to PC{l_3}(l)$
آ) واکنش شیمیایی را موازنه کنید.
${P_4}(s) + C{l_2}(g) \to PC{l_3}(l) \Rightarrow 1{P_4}(s) + 6C{l_2}(g) \to 4PC{l_3}(l)$
ب) از واکنش 992 گرم فسفر ($P_{4}$) با مقدار کافی از گاز کلر، چند گرم فسفر تریکلرید به دست میآید؟
$P = 31\,\mathrm{g/mol} \;,\quad Cl = 35.5\,\mathrm{g/mol}$
$\Rightarrow
\begin{cases}
P_4 = 4 \times 31 = 124\,\mathrm{g/mol}\\[4pt]
PCl_3 = P + 3Cl = 31 + 3\times 35.5 = 137.5\,\mathrm{g/mol}
\end{cases}$
$ 992\,\mathrm{g}_{P_4}
\times \frac{1\,\mathrm{mol}_{P_4}}{124\,\mathrm{g}_{P_4}}
\times \frac{4\,\mathrm{mol}_{PCl_3}}{1\,\mathrm{mol}_{P_4}}
\times \frac{137.5\,\mathrm{g}_{PCl_3}}{1\,\mathrm{mol}_{PCl_3}}
= 4400\,\mathrm{g}_{PCl_3}$
پ) برای واکنش کامل 620 گرم فسفر ($P_{4}$) چند لیتر گاز کلر در STP نیاز است؟
$P_4 = 4 \times 31 = 124\,\mathrm{g/mol}$
$620\,\mathrm{g}_{P_4} \times \frac{1\,\mathrm{mol}_{P_4}}{124\,\mathrm{g}_{P_4}}
\times \frac{6\,\mathrm{mol}_{Cl_2}}{1\,\mathrm{mol}_{P_4}}
\times \frac{22.4\,\mathrm{L}_{Cl_2}}{1\,\mathrm{mol}_{Cl_2}}
= 672\,\mathrm{L}_{Cl_2}$
تولید آمونیاک، کاربردی از واکنش گازها در صنعت
گاز نیتروژن فراوانترین جزء سازنده هواکره بوده که در مقایسه با اکسیژن از نظر شیمیایی غیرفعال و واکنشناپذیر است؛ برای نمونه مخلوطی از گازهای اکسیژن و هیدروژن در حضور کاتالیزگر یا جرقه در یک واکنش سریع و شدید، منفجر میشود و آب تولید میکند (شکل 24) اما در مخلوطی از گازهای نیتروژن و هیدروژن در حضور کاتالیزگر یا جرقه، هیچ واکنشی رخ نمیدهد.
$2{H_2}(g) + {O_2}(g)\xrightarrow{{{\text{Catalyst}}}}2{H_2}O(g)$
${H_2}(g) + {N_2}(g)\xrightarrow{{{\text{Catalyst}}}}$ واکنشی رخ نمیدهد
از این رو گاز نیتروژن به جوّ بیاثر شهرت یافته و در محیطهایی که گاز اکسیژن، عامل ایجاد تغییر شیمیایی است به جای آن از گاز نیتروژن استفاده میکنند.
در درس علوم دیدید که کشاورزان کودهای شیمیایی نیتروژندار را به خاک میافزایند. یکی از این کودها آمونیاک است که به طور مستقیم به خاک تزریق میشود.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 81 کتاب درسی)
1- شاید دیده باشید که برای پر کردن و تنظیم باد تایر خودرو به جای هوا از گاز نیتروژن استفاده میکنند. توضیح دهید استفاده از این گاز به جای هوا چه فایدهای دارد؟
همانطور که در شکل دیده میشود، ظرف مربوط به گاز نیتروژن دارای درصد بیشتری از نیتروژن میباشد و گاز نیتروژن نسبت به هوا چگالی کمتری دارد و همین طور نسبت به اکسیژن نیروهای جاذبهای بین مولکولی کمتری داراست، بنابراین پایداری بیشتری در محیط داشته و لاستیکها به راحتی فشرده نمیشوند.
2- گاز نیتروژن دارای مولکولهای دو اتمی است. ساختار لوویس مولکول آن را رسم کنید.
هر چند گاز نیتروژن واکنشپذیری ناچیزی دارد، اما امروزه در صنعت، مواد گوناگونی از آن تهیه میکنند که آمونیاک یکی از مهمترین آنهاست. اکنون این پرسش مطرح است که از نیتروژن با واکنشپذیری ناچیز، چگونه شیمیدانها آمونیاک و دیگر ترکیبها را تهیه میکنند؟
یافتن پاسخ این پرسش به اندازهای اهمیت داشت که دانشمندی به نام فریتس هابر در سال 1918 میلادی به دلیل تهیۀ آمونیاک از گازهای $H_2$ و $N_2$، برندۀ جایزۀ نوبل شیمی شد. هابر واکنش زیر را مبنای پژوهشهای خود قرار داد:
${N_2}(g) + 3{H_2}(g)\xrightarrow{{{\text{Optimal conditions}}}}2N{H_3}(g)$
بزرگترین چالش هابر، یافتن شرایط بهینه برای انجام این واکنش بود. در شیمی (3) با فرآیند هابر و شرایط بهینهٔ واکنش آشنا خواهید شد؛ فرآیندی که منجر به تولید آمونیاک در مقیاس صنعتی شد.