2 - E-Universite

STOKĐYOMETRĐYrd.Doç.Dr. İbrahim İsmet ÖZTÜRK

3. Stokiyometri3.1. Atom Kütlesi3.1.1.Ortalama Atom Kütlesi3.2. Avagadro Sayısı ve Elementlerin Mol Kütleleri3.3. Molekül Kütlesi3.4. Kütle Spektrometresi3.5. Bileşiklerin Yüzde Bileşimi3.6. Kaba Formüllerin Deneysel Belirlenmesi3.7. Kimyasal Tepkimeler ve Kimyasal Eşitlikler3.8. Tepkenler ve Ürünlerin Miktarı:3.9. Sınırlayıcı Bileşen ve Tepkime Verimi

3.1. Atom KütlesiAtomun kütlesi içerdiği elektron, proton ve nötron sayısına bağlıdır.Uluslar arası kabullere göre, atom kütlesi, atom kütle birimi (akb) ile verilir. Atomkütle birimi tam olarak C-12 atomunun kütlesinin 1/12’sine eşittir.3.1.1.Ortalama Atom KütlesiPeriyodik çizelgeye bakıldığında,karbon atomu kütlesinin 12.00 akb olmayıp12.01 akb olduğu görülür. Bu farkın nedenidoğada bulunan elementlerin birden fazlaizotopunun bulunmasıdır.

Örneğin, karbon-12 ve karbon-13 atomlarının doğal izotop bolluklarısırasıyla %98.90 ve %1.20’dur.Karbon-13 atomunun kütlesi 13.00335 akb olarakbulunmuştur. Böylece karbon atomunun ortalama atom kütlesi şu şekildehesaplanır.Atom kütlesi= (0.9890x12.00000)+(0.0110x13.00335)= 12.01 akbSORU: Đki kararlı izotopunun bolluk yüzdeleri6329 Cu (69.09) ve 65 29Cu(30.91) atom kütleleri ise 62.93 akb ve 64.9278 akb’dir. Bakır atomununortalama atom kütlesini hesaplayınız.

3.2. Avagadro Sayısı ve Elementlerin Mol KütleleriKimyacılar atom ve molekülleri ölçmek için mol kavramını kullanırlar. SIbirim sistemine göre mol, 12 g (yada 0.012 kg) C-12 izotopunun içerdiği atomsayısı kadar tanecik (atom, molekül yada diğer tanecikler) içeren madde miktarıdır.12 g C-12’de bulunan gerçek atom sayısı deneysel olarak tayin edilir. Bu sayıAvagadro sayısı olarak adlandırılır.

Genellikle, avagadro sayısı 6.022x10 23 ’e yuvarlatılır. 1 mol karbon-12atomunun tam kütlesi 12 g olup 6.022x10 23 atom içerir. Karbon-12’nin bu kütlesimol kütlesi (M) olup, bir mol atom yada molekülün (gram yada kilogramcinsinden) kütlesi olarak tanımlanır.Karbon-12 atomu mol kütlesinin (gram olarak) sayısı bakımından, akbcinsinden atom kütlesine eşit olduğu unutulmamalıdır.Buna göre Sodyum (Na) atomunun kütlesi 22.99 akb ve mol kütlesi22.99g, Fosfor (P) elementinin atom kütlesi 30.97 akb ve mol kütlesi 30.97 g’dır.demektir.Yani bir elementin atom kütlesi bilindiğinde, mol kütleside biliniyor

SORU: Çinko gümüş renginde bir metal olup, bakır ile karıştırılarak pirinçalaşımının yapımında kullanılır. Demir metali çinko ile kaplanarakkorozyondan korunur. 23.3 g Zn kaç mol Zn eder.

SORU: Kükürt kömürde bulunan bir ametaldir. Kömür yandığı zamankükürt, kükürt dioksite ve daha sonra sülfürik aside dönüşür, buda asityağmurlarına neden olur. 16.3 g S kaç atom içerir.

SORU: Gümüş (Ag) çoğunlukla süs eşyası yapımında kullanılan değerli birmetaldir. Bir tane Ag atomunun kütlesi gram olarak nedir.

3.3. Molekül KütlesiBileşik içerisindeki atomların kütlelerini bilirsek, molekülün kütlesini dehesaplayabiliriz. Molekül kütlesi (bazen molekül ağırlığı da denir) moleküliçindeki atomların kütleleri (akb) toplamıdır. Örneğin su (H 2 O) molekülününkütlesi;2 x (H atomu kütlesi) + O atomu kütlesi2x (1.008) + 16.00 = 18.02 akbBir molekülün ya da bileşiğin mol kütlesini molekül kütlesindenbulabiliriz. Bir bileşiğin gram cinsinden molekül kütlesi sayısal olarak akbcinsinden molekül kütlesine eşittir. Örneğin suyun molekül kütlesi 18.02 akb, molkütlesi ise 18.02 g ‘dır. 1 mol su 18.02 g olup 6.022x10 23 tane H 2 O molekülü içerir.

SORU: Aşağıdaki bileşiklerin molekül kütlelerini (akb) hesaplayınız: (a)kükürt dioksit (SO 2 ) (b) kafein (C 8 H 10 N 4 O 2 )

SORU: Metan (CH 4 ) doğal gazın ana bileşenidir. 6.07 g CH 4 kaç mol CH 4molekülü içerir.

SORU: Üre [(NH 2 )CO] gübre olarak tarımda, hayvan yeminde ve polimerüretiminde kullanılır. 25.6 g üre içinde kaç tane hidrojen atomu vardır?Ürenin mol kütlesi 60.06 g dır.

3.4. Kütle SpektrometresiAtom ve molekül kütlelerinin doğrudan ve en kesin şekilde belirlenmesikütle spektrometresi ile yapılmaktadır.

3.5. Bileşiklerin Yüzde BileşimiBileşiklerin formüllerine bakarak, içerdikleri elementlerin atom sayılarınıbulabiliriz. Yüzde bileşim bileşik içerisindeki her elementin kütlece yüzdesidir.Yüzde bileşim her bir elementin kütlesinin bileşiğin bir molünün kütlesinebölünmesi ve bölümün 100 ile çarpılmasıyla hesaplanır.

SORU: Fosforik asit (H 3 PO 4 ) renksiz, şurup kıvamında bir sıvı olup deterjan,gübre, diş macunu yapımında kullanılır. Karbonatlı içeceklere "keskin" tatveren bu asittir. Bileşik içerisindeki H, P ve O atomlarının kütlece yüzdelerinihesaplayınız.

SORU: Askorbik asit (C vitamini) deri dökülmesini tedavi eder. C vitaminikütlece %40.92 C, %4.58 H ve %54.50 O’den oluşmuştur. Askorbik asidinkaba formülünü bulunuz.

SORU: Halkopirit (CuFeS 2 ) bakırın (Cu) ana cevheridir. 3.71x10 3halkopirit içersindeki bakırın miktarını kg olarak bulunuz.kg

3.6. Kaba Formüllerin Deneysel BelirlenmesiBir bileşiğin kaba formülünün belirlenebilmesi için, bileşik içerisindekielementlerin yüzde bileşimlerinin deneysel olarak bulunması gerekir. Bunun içinönce, verilen bileşiğin kimyasal analizi yapılır ve her bir elementin gram cinsindenmiktarı bulunur. Sonra, gramlar her element için mole çevrilir ve bileşiğin kabaformülü belirlenir.Etil alkol verilen düzenekte yakılırsa, karbon dioksit (CO 2 ) ve su (H 2 O)açığa çıkar. Sisteme gönderilen gazlar içerisinde karbon ve hidrojenbulunmadığına göre, açığa çıkan CO 2 ve H 2 O daki karbon (C) ve hidrojen (H) etilalkoldeki elementler olmalıdır.

SORU: 11.5 g etil alkol yakıldığında 22.0 g CO 2 ve 13.5 g H 2 O oluştuğunuvarsayalım. 11.5 g etil alkol örneği içerisindeki karbon ve hidrojen kütlelerinihesaplayabiliriz.

Molekül Formüllerinin BulunmasıYüzde bileşen analizleri kullanılarak bulunan formül her zaman kabaformül olacaktır. Çünkü bulunan formül en küçük indise bölünerekbelirlenmektedir. Gerçek molekül formülünün bulunabilmesi için, yaklaşık molekülkütlesinin de bilinmesi gerekir. Bileşiğin molekül formülünün nasıl bulunduğunubir örnekle açıklayalım.

3.7. Kimyasal Tepkimeler ve Kimyasal EşitliklerKimyasal tepkime, bileşik ya da bileşiklerin değişerek yeni bileşik veyabileşikler oluşturduğu bir işlemdir. Kimyasal eşitlik ise kimyasal tepkimelerde neolduğunu göstermek için kimyasal simgeler kullanılarak yazılan eşitliktir.Kimyasal Eşitliklerin YazılmasıHidrojen gazının havada yanması ve su oluşturması sırasında oluşantepkime şu şekilde verilebilir.H 2 + O 2 → H 2 O

H 2 + O 2 → H 2 O"+" işaretinin anlamı H 2 ve O 2 "tepkimeye girer", ok işaretinin anlamı bu tepkime"ürün verir"dir. Bu simgelerin okunuşu "hidrojen molekülü oksijen molekülü iletepkimeye girerek su oluşturur" şeklindedir. Tepkime ok işaretinin gösterdiğiyönde soldan sağa doğru gerçekleşir.Yukarıdaki eşitlik denk değildir, çünkü eşitliğin sol tarafında, sağ tarafagöre bir fazla oksijen atomu bulunmaktadır. Kütlenin korunumu kanununa göre,aynı tür atomların ok işaretinin her iki yanında eşit sayıda bulunması gerekir. Bueşitliği denkleştirmek için H 2 molekülü ve H 2 O molekülü önüne uygun bir sayı(burada 2 sayısı) yazılır.2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Bu denk kimyasal eşitlik "iki hidrojen molekülü ile bir oksijen molekülütepkimeye girerek iki su molekülü oluşturur" demektir. Ayrıca eşitlik şu şekilde deokunabilir "iki mol hidrojen molekülü bir mol oksijen molekülü ile tepkimeyegirerek iki mol su molekülü oluşturur. "

2H 2 + O 2 → 2H 2 OEşitlikte verilen H 2 ve O 2 tepkenler olup, kimyasal tepkimede çıkışmaddeleridir. H 2 O ise kimyasal tepkime sonucu oluşur ve ürün adını alır.Kimyasal tepkimelerde çoğu kez ek bilgi olarak tepken ve ürünlerinfiziksel durumlarını gösteren gaz (g), sıvı (s) ve katı (k) simgeleri kullanılır.2CO (g)+ O 2(g)→ 2CO 2(g)2HgO (k)→ 2Hg (s)+ O 2(g)Kimyasal Eşitliklerin DenkleştirilmesiTepken ve ürünler tam olarak belirlendikten sonra, doğru formülleriyazılır ve tepkenler solda, ürünler sağda olmak üzere ok işareti ile ayrılır. Kimyasaleşitliklerin denkleştirilmesinde aşağıdaki basamaklar uygulanır.

1- Eşitliklerin sol ve sağına yazılacak tepken ve ürünlerin doğru formülleribelirlenir.2- Farkli katsayılar deniyerek, eşitliğin her iki tarafındaki atomların sayılarıdenkleştirilir.3- Kimyasal tepkimeler denkleştirilirken, ilk olarak eşitliğin her iki tarafındayalnızca bir kez yer alan ve her iki taraftaki atom sayıları eşit olan elementlerebakılır. Bu elementleri içeren formüllerin katsayıları eşit olmalıdır. Sonra, eşitliğinher iki tarafında, birer kez yer alan ancak, atom sayıları eşit olmayan elementler elealınır ve elementler eşitlenir. Son olarak, eşitliğin aynı tarafında iki yada daha fazlaformülde ortaya çıkan elementler denkleştirilir.4- Eşitliğin her iki tarafı kontrol edilerek, her iki yandaki atomların denk olduğukontrol edilir.

Bu basamakları bir örnekte uygulayalım;Laboratuvarda potasyum klorat (KClO 3 )ısıtıldığında oksijen gazı oluşur. Yani oluşan ürünler oksijengazı (O 2 ) ve potasyum klorür (KCl)’dür. Bu bilgilerdenyararlanarak eşitliği yazalım.KClO 3 → KCl + O 2Üç element (K, Cl ve O) eşitliğin her iki yanında da birer kezgörülmektedir, ama sadece K ve Cl eşitliğin iki yanında eşit sayıda atomiçermektedir. Bu nedenle KClO 3 ve KCl aynı katsayıya sahip olmalıdır. Bir sonrakibasamakta, eşitliğin sol tarafında üç oksijen atomu, sağında ise iki oksijen atomubulunduğundan O atomlarının sayısı eşitliğin her iki tarafında eşitlenmelidir. Bunusağlamak için KClO 3 ’ün önüne 2 ve O 2 ’nin önüne 3 yazılarak her iki taraftaki Oatomları denkleştirilir.

2KClO 3 → KCl + 3O 2Son olarak sağ taraftaki, K atomunun önüne 2 yazılarak K ve Cl atomlarıda denkleştirilmelidir.2KClO 3 → 2KCl + 3O 2Son kontrol olarak, tepken ve ürünlerdeki her bir element içindenkleştirme tablosu düzenlenir.Tepkenler ÜrünlerK (2)K(2)Cl(2)Cl(2)O(6)O(6)

Doğal gaz bileşenlerinden etanın (C 2 H 6 )oksijen ile yanarak karbondioksit ve su oluşturduğutepkimeyi yazarak denkleştiriniz.

3.8. Tepkenler ve Ürünlerin Miktarı:Bir kimyasal tepkimede tepkenler ve ürünlerin nicel olarak çalışılmasınastokiyometri denir. Tepken veya ürünlerin birimi mol, gram, litre ya da diğer bazıbirimler cinsinden verilse bile, tepkimede ürün miktarlarının hesaplanmasında molbirimi kullanılır. Bu yaklaşıma mol yöntemi denir ve basitçe, bir kimyasaltepkimede katsayılar bileşiklerin mol sayılarını belirtir.

10.7 g CO gazının O 2 ile tepkimeye girerek CO 2 oluşturduğunu düşündüğümüzde,bu tepkime sonucu kaç mol CO 2 oluşacaktır ?

3.9. Sınırlayıcı Bileşen ve Tepkime VerimiHerhangi bir kimyasal tepkimede tüm tepkenler her zaman stokiyometrikmiktarlarda verilmeyebilir. Ancak tepkenler belirli bir stokiyometrik orandabirleşerek ürün oluştururlar. Stokiyometrik miktar denkleştirilmiş tepkimedebelirtilen oranlar kadardır. Tepkimenin amacı başlangıç maddelerinden en yüksekmiktarda ve verimde bileşikler elde etmektir. Sanayide genellikle daha pahalı olantepkenin tamamen tepkimeye girmesini sağlamak için, ucuz tepken çok miktardakullanılır. Bu olayın sonucunda, tepkimede fazla eklenen tepkenler tamamentükenmezler ve tepkime ortamında artarlar. Tepkimede tamamen tükenen maddeyesınırlayıcı tepken denir. Sınırlayıcı tepken tamamen tükendiğinden, oluşanürünlerin miktarını belirler.Bu tepken tükendiği zaman artık tepkime olmaz veürün oluşması durur. Fazla tepken sınırlayıcı tepken ile tepkime verebileceği nicelmiktardan fazlasına sahip olan bileşendir.

Azot oksit (NO) ve oksijenin (O 2 ) tepkimeyegirerek azot dioksit (NO 2 ) oluşturduğu tepkimeyiele alalım;2NO (g)+ O 2(g)→ 2NO 2(g)Başlangıçta, 8 mol NO ve 7 mol O 2 ile tepkimeyebaşlandığını varsayalım. Bu iki tepkendenhangisinin sınırlayıcı tepken olduğunu tayin etmekiçin NO ve O 2 ’in verilen miktarlarından en çok kaçmol NO 2 oluşabileceğini hesaplayalım.

Her iki başlangıç miktarından oluşacak NO 2 miktarını hesaplayalım. 8 mol NO denbaşlayarak, NO 2 ürününün mol sayısı hesaplanacak olursa,7 mol O 2 ’den başlayarak NO 2 mol sayısı hesaplanacak olursaNO daha az verimle NO 2 oluşturduğundan sınırlayıcı tepken olmalıdır ve oksijenise fazla olan tepkendir.

(b)(c)

Tepkime VerimiBir tepkimenin kuramsal verimini sınırlayıcı tepken belirler. Kuramsalverim, sınırlayıcı tepkenin tümüyle kullanılması halinde oluşabilecek ürünmiktarıdır. Kuramsal verim, elde edilebilecek en yüksek verim olup,denkleştirilmiş tepkimeden sayısal olarak hesaplanabilir. Uygulamada ise gerçekverim kullanılır ve gerçek verim tepkime sonunda gerçekten oluşan ürünmiktarıdır. Gerçek verim daima kuramsal verimden küçüktür. Bir tepkimeninverimini gerçek verimi kuramsal verime oranlayarak hesaplamaya yüzde verimdenir.