1

II. Stoichiometrie

Academiejaar 2013-2014

2Examenstof Hoofdstuk 2belangrijke vaardigheden•massa% ⇔ moleculaire/empirische formule•berekenen moleculaire/empirische formule van onbekende (C/H/Y)verbinding•interconversie gram, mol, aantal chemische entiteiten•schrijven en in evenwicht brengen van een reactievergelijking•herkennen types chemische reacties•bepalen van stoichiometrische verhoudingen reactanten/produkten•identificeren van reactant in ondermaat/overmaat•berekenen massa reactanten/produkten

ook: reacties in sequentie, reacties met reactant in ondermaat•berekenen van conversie, selectiviteit en opbrengst•berekenen concentraties bij bereiden en verdunnen van oplossingen•berekenen volume reactanten•bepalen van het oxidatiegetal van alle atomen in een verbinding•identificeren van redox-reacties/oxidans/reductans•in evenwicht brengen redox-reacties (half-reactie methode)zie p II-34 & 35

3

Stoichiometrie van verbindingen

4

MMAMn

MMNAMN

mm ii

verb

ii

verb

ii,m

×=

××

==γ

MMAMn100

mm100i m% ii

ii

i ××=

∑×=

•Voor elk element i in een verbinding geldt:

•Voor elke verbinding i in een mengsel geldt:

verbi,mi mm ×γ=⇒

∑==γ

ii

i

mengsel

ii,m m

mm

mmengseli,mi mm ×γ=⇒

5

Bepaal de massafractie C en H in caffeïne(C8H10N4O2).

Bepaal het m% N en het m% O in caffeïne.

NN

NN

O

O

Voorbeeld 1

element m%C 49.48H 5.15N 28.87O 16.49

6

7

C/H-verbinding + O2 → CO2, H2O, O2, overmaat...

afgewogen hoeveelheid onbekende verbinding

formule verbinding

⇒ massa CO2 en H2O gevormd bij verbranding?

Volledige verbranding = reactie met zuurstof waarbij CO2 en H2O gevormd worden

Bepaling formule onbekende verbindingHoeveel atomen van welke elementen zijn

er in de verbinding?

Zie p II-2

8

9

Studie-opgave 3

Cumeen is een verbinding die enkel C en H bevat en wordt industrieel gebruikt voor de productie van aceton en fenol. Verbranding van 47.515 mg cumeen geeft 156.8 mg CO2

en 42.8 mg water. De molaire massa van cumeen is 120 g/mol. Bepaal de empirische en de moleculaire formule.

4375.0H

C

H

C HCHC75.0NN

nn

⇒⇒==

129HC3FMMMnFMnMM ⇒==⇒×=

10

Cmg7636.42OCg44Cg12 COmg8.156

22 =×

Hmg7556.4OHg81

Hg2 OH gm8.242

2 =×

massa mi mol i nC/nH

CO2 156.8 mg C: 42.7636 mg C: 3.5640.75

H2O 42.8 mg H: 4.7556 mg H: 4.756

•Methode 1: bruikbaar voor CxHy

Empirische formule cumeen: C0.75H ⇒ C3H4

•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand

•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand

11

Cmg7636.42OCg44Cg12 COmg8.156

22 =×

Hmg7556.4OHg81

Hg2 OH gm8.242

2 =×

9000.0cumeenmg515.47

Cmg7636.42m

m

cumeen

CC,m ===γ

•mC in mCO2 gevormd = mC in mcumeen verbrand

•mH in mH2O gevormd = mH in mcumeen verbrand

•massafractie C en H in cumeen

1000.0cumeenmg515.47

Hmg7556.4m

mcumeen

HH,m ===γ

•Methode 2: algemeen bruikbaar

12

γm,i mol i mol/mol

C: 0.9000 C: 0.075 C: 1

H: 0.1000 H: 0.1 H: 1.33

Empirische formule cumeen: CH1.33 ⇒ C3H4

3g40g120

FMMMn

43HC

cumeen ===

⇒ Moleculaire formule cumeen: C9H12

FMnMM ×=

13

Studie-opgave 23

Een verbinding bevat enkel C, H, N en O. Verbranding, d.i. reactie met een overmaat O2, van 0.157 g van de verbinding geeft 0.213 g koolstofdioxide en 0.0310 g water. In een ander experiment, wordt er uit 0.103 g van de verbinding 0.0230 g ammoniak gevormd. Wat is de empirische formule van deze verbinding?

X: C2.35H1.67NO2 ⇒ C7H5N3O6

14

15

Stoichiometrie van reacties

16Types chemische reacties•gasfasereactie

•verbrandingsreactie

•neerslagreactie (precipitatiereactie)

•neutralisatiereactie

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O( )

C2H6(g) → H2(g) + C2H4(g)

K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)

zuur + base → zout + water

•gasvormende reactieKClO3(v) → KCl(v) + O2(g)

2 HNO3(aq) + Ba(OH)2(aq) → Ba(NO3)2(aq) + 2 H2O( )

Zie ook p II-2

17

a A + b B → c C + d D

mA

nA

mB

nB

A

AA MM

mn = BBB MMnm ×=

abnn AB ×=

mC

nc

CCC MMnm ×=acnn AC ×=

Massa’s reactanten en producten

Zie p II-15

18

Voorbeeld 2

In een poging om waterstofperoxide (H2O2) te bereiden werden in een reactievat 1.1 mol waterstofgas en 1 mol zuurstofgas met elkaar gemengd. Na stopzetten van de reactie werd het reactiemengsel geanalyseerd. Uit deze analyse blijkt dat het reactiemengsel 0.6 mol H2O, 0.3 mol H2O2, 0.2 mol H2 en 0.4 mol O2 bevat. Bereken de conversie, de selectiviteit en de molaire opbrengst van de reactie.

Zie p II-20

o,2OH Hmol/mol27.0Y 22

=

omgezet,2OH Hmol/mol67.0S 2

= o,2OH Hmol/mol55.0Y 2

=

omgezet,2OH Hmol/mol33.0S 22

=82.0X 2H =

60.0X 2O =

19

20

a A + b B → c C + d D

VA

nA

VB

nB

A

AA V

cn =B

BB c

nV =

abnn AB ×=

cC

nc

BA

CC VV

nC+

=acnn AC ×=

Volumes reactanten en producten

Zie p II-23

21Verdunnen van een oplossingaantal mol opgeloste stof n blijft constant bij verdunning

ff,ioo,ii VcVcn ×=×=

Vnc i

i =

f

io,if,i V

Vcc ×=

Zie p II-21

22

Een oplossing wordt bereid door 40 ml van een 0.3 M ammoniumsulfaatoplossing aan te lengen tot 250 ml, gevolgd door een 1:10 verdunning en door een 1:50 verdunning. Bereken de concentratie aan ammoniumionen in de resulterende oplossing. Verklaar je antwoord. (1:X verdunning = 1 ml aanlengen tot X ml) .

Voorbeeld 3

M1092.1c 4)NH( 4

−×=+

23

6

5

4

3

2

1o,SO)NH()NH( V

VVV

VVc2c

4244××××=+

m50m1

m10m1

m250m40mol3.02c )NH( 4

××××=+

M1092.1c 4)NH( 4

−×=+

24

Dissociatie in waterige oplossingen: elektrolyten en niet-elektrolyten

Zie p II-12

25

Geleidbaarheid in waterige oplossing

solvatatie ionen in water

•oplossing: ionen zijn beweeglijk

⇒ ionen zijn ladingsdragers

⇒ geleidbaarheid

anode katode

26Reactievergelijkingen in waterige oplossing•Moleculaire reactievergelijking

bij oplossen in water splitsen ionaire verbindingen in ionen

K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(v) + 2 KNO3(aq)

neerslag waterige oplossing

CuCl2 (aq) = Cu2+(aq) + 2 Cl−(aq)

gehydrateerd koperion:

Cu2+(aq) = [Cu(H2O)6]2+

gehydrateerd chloride ion:

Cl−(aq) = [Cl(H2O)6]−

Zie p II-8 & II-11

27

•Ionaire reactievergelijking

spectatorionen zijn niet rechtstreeks betrokken in reactie

netto-ionaire reactievergelijking: Ag+(aq) + Cl−(aq) → AgCl (v)

spectatorionen zijn wel van belang voor stoichiometrische berekeningen

AgNO3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (v) + NaNO3 (aq)

1 mol CuCl2(aq) = 1 mol Cu2+(aq) + 2 mol Cl−(aq)

1 mol AgCl(aq) = 1 mol Ag+(aq) + 1 mol Cl−(aq)

28

AnionOplosbaar

(> 10 g/l)

Matig oplosbaar

(0.1 tot 10 g/l)

Onoplosbaar

(< 0.1 g/l)

Nitraat (NO3-) Alle

Acetaat (CH3COO-) Meeste Be(CH3COO)2

Chloraat (ClO3-) Alle

Perchloraat (ClO4-) Meeste KClO4

Fluoride (F-) Groep I, AgF, BeF2 SrF2, BaF2, PbF2 MgF2, CaF2

Chloride (Cl-) Meeste PbCl2 AgCl, Hg2Cl2Bromide (Br-) Meeste PbBr2, HgBr2 AgBr, Hg2Br2

Jodide (I-) Meeste AgI, Hg2I2, PbI2, HgI2Sulfaat (SO4

2-) Meeste CaSO4, Ag2SO4, Hg2SO4 SrSO4, BaSO4, PbSO4

Sulfiet (SO32-) Groep I, (NH4)2SO4 Meeste

Sulfide (S2-) Groep I en III, (NH4)2S Meeste

Carbonaat (CO32-) Groep I, (NH4)2CO3 Meeste

Fosfaat (PO43-) Groep I, (NH4)3PO4 Meeste

Hydroxide (HO-) Groep I, Ba(OH)2 Sr(OH)2, Ca(OH)2 MeesteTabel 2.4 (p II-14); bijlage 5

Neerslagreacties

29

Veronderstel dat 50 ml van een 0.05 M oplossing van lood(II)nitraat gemengd wordt met 40 ml van een 0.2 M oplossing van natriumjodaat bij 25°C en dat het gevormde lood(II)jodaat volledig neerslaat.

Bereken de massa van het gevormde neerslag.

Bereken de concentratie van de ionen in de resulterende oplossing.

Voorbeeld 4

M033.0c3IO

=−

M056.0c3NO

=−

M089.0cNa =+

g39.1m23 )IO(Pb =

30

•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 bevat

mol105.2m50m101

mol05.0VMn 33)NO(Pb 23

−×=××

=×=

mol105.2nn 3)NO(PbPb 232

−×==+

mol105n2n 3)NO(PbNO 233

−×=×=−

•40 ml 0.2 M NaIO3 bevat

mol108m40m101

mol2.0VMn 33NaIO3

−×=××

=×=

mol108nn 3NaIONa 3

−×==+

mol108nn 3NaIOIO 33

−×==−

31

Pb2+(aq) + 2 NO3

−(aq) + 2 Na+

(aq) + 2 IO3−(aq) → Pb(IO3)2(v) + 2 Na+

(aq) + 2 NO3−

(aq)

stoichiometrische verhouding

12

Pbmol1IOmol2

23 =

+

−

actuele verhouding

12.3

Pbmol105.2IOmol108

233

3=

×

×+−

−−

•mol Pb(IO3)2 dat neerslaat = mol Pb2+ gereageerd

g39.1mol

g557mol105.2m 3)IO(Pb 23

=××= −

•50 ml 0.05 M Pb(NO3)2 + 40 ml 0.2 M NaIO3

−−+

−+− ×=×× 3

32323 IOmol105

Pbmol1IOmol2Pbmol105.2

•2.5 × 10-3 mol Pb2+ reageert met

•massa van het gevormde lood(II)jodaatneerslag

32

•90 ml oplossing bevat

mol103mol105mol108n 333IO3

−−− ×=×−×=−

mol105n 3NO3

−×=−

mol108n 3Na

−×=+

M033.01090

mol103VnM 3

3

IO3=

×

×==

−

−−

M056.01090

mol105VnM 3

3

NO3=

×

×==

−

−−

M089.01090

mol108VnM 3

3

Na =×

×==

−

−+

33

Gasmengsels: definities

HII: p. II-24-27

34

Gasmengsels: partieeldruk pi

V

RTnp P i

i

iitot

∑∑ ==

∑=i

itot n n

tot

ii n

n =γmolfractie i:

35

tot

ii P

RTnV =tot

ii

iitot P

RTnV V

∑=∑=

100VV vol%tot

ii ×=

Vn c i

i = ∑=i

itot cRT P

V

RTnp P i

i

iitot

∑∑ ==

itot

ii %vol100

nn%mol =×=

geldt enkel voor gasmengsels

molfractie i

36

luchtverbinding vol% m%

N2 78.08 75.52O2 20.95 23.14Ar 0.93 1.29

CO2 0.036 0.05Ne 1.82×10−3 1.27×10−3

He 5.24×10−4 7.24×10−5

CH4 1.7×10−4 9.4×10−5

Kr 1.14×10−4 3.3×10−4

Omrekenen vol% naar m%

zie Minerva/documenten/handouts

37

STP (Standard conditions of Temperature and Pressure)

Normaalomstandigheden temperatuur en druk: T = 0°C, P = 1 bar

!!!!LET OP: normaalomstandigheden ≠ TD standaardcondities

zie H9

38

Voorbeeld 5

Een vat van 5.00 liter bevat 32.1 gram van een gas bij 25°C en een druk 2.45 atm. Welkgas is er aanwezig in het vat?

a. Cl2b. F2

c. NO2

d. SO2

SO2

HII: p. II-24

39

PVRTmMM

RTPV

MMmn X

XX

XX =⇒==

molg1.64

00.5atm45.2

K15.298Kmol

atm08206.0g1.32MMX =

×

××=

X = SO2

40

RedoxreactiesIn evenwicht brengen redoxreacties:

enkel halfreactiemethode is examenstof

oxidatiegetalmethode wordt NIET GEVRAAGD en

OOK NIET GEBRUIKT op examen

41

eBA+

A e B+

reductans oxidans

A wordt geoxideerd

en staat elektronen af

B wordt gereduceerd

en neemt elektronen op

Redoxreactie: oxidatie/reductie

•Oxidatie: produceert elektronen

•Reductie: verbruikt elektronen

42

Fe(v) + Cu2+(aq) + SO4

2-(aq) Cu(v) + Fe2+

(aq) + SO42-

(aq)

− 2e ⇒Fe: reductans

+ 2e ⇒Cu: oxidans

43

Redoxkoppel: oxidans/reductans

reductie:

−+ +→ e2eFeF )aq(2

)s(

(s))aq(2 uCe2Cu →+ −+

oxidatie:

CuFe2+

Fe Cu2+

reductans oxidans

Fe wordt geoxideerd

en staat elektronen af

Cu2+ wordt gereduceerd

en neemt elektronen op

ee

ee

•Reductans: reduceert het oxidans

•Oxidans: oxideert het reductans

•Redoxkoppels: ox/red

Cu2+/CuFe2+/Fe

44

Breng de volgende reactie in evenwicht in basisch milieu (gebruik de halfreactiemethode)

Studie-opgave 20c

−− +→+ )aq()aq(3)aq(2)aq(2 Cl2)OH(CoHOCoCl

−−− +→+++ )aq()aq(3)(2)aq(2)aq(2 Cl4)OH(Co2HO3OHHOCoCl2

45

46

Oefening 2.51

Om te bepalen of een bestuurder onder invloed van alcohol rijdt, maakt de politie gebruik van een ademtest. Deze test bestaat uit het leiden van de adem van de bestuurderdoorheen een ampule die kaliumdichromaat in zwavelzuurbevat. Indien de adem ethylalcohol bevat dan reageert het ethylalcohol met de dichromaatanionen met vorming van azijnzuur en Cr3+-ionen.

Schrijf de globale reactie (in evenwicht) voor dit proces.

oplossing van Cr3+oplossing van

dichromaatanionen

OH11SOK2)SO(Cr2COOHCH3SOH8OCrK2OHCHCH3 24234234272223 +++→++

47