مسابقه 275
در این مسابقه شما را با مفهوم استوکیومتری و کاربرد آن آشنا خواهیم کرد و سپس یکی از سوالات المپیاد شیمی 2013 آمریکا را برایتان مطرح خواهیم کرد و امیدواریم همه شما دوستان عزیز جواب صحیح را پیدا کنید.
استوکیومتری یکی از شاخه‌های علم شیمی است که در رابطه با مقادیر نسبی واکنگرها و محصولات در یک واکنش شیمیایی است. در یک واکنش شیمیایی موازنه شده، روابط بین مقادیر واکنشگرها و محصولات معمولا تشکیل یک نسبت از اعداد صحیح مثبت می‌دهد. برای مثال، در یک واکنش تشکیل آمونیاک (NH3)، دقیقا یک مولکول از گاز نیتروژن (N2) با 3 مولکول از گاز هیدروژن (H2) واکنش داده تا دو مولکول NH3 تشکیل دهد:
این نوع خاص از استوکیومتری –که روابط مقداری میان مواد شرکت کننده در یک واکنش را توصیف می‌کند- بعنوان استوکیومتری واکنش شناخته می‌شود. در مثال بالا، استوکیومتری واکنش نسبت مولکولی 1:3:2 میان نیتروژن، هیدروژن و آمونیاک را توضیح می‌دهد.
استوکیومتری می‌تواند برای تعیین مقادیری نظیر مقدار محصولات (در قالب جرم، مول، حجم و غیره) با توجه به مقدار واکنشگرها و درصد بازده (درصدی از ماده واکنشگر که منجر به تولید محصول می‌شود) استفاده شود. محاسبات استوکیومتری می‌توانند پیش بینی کنند که چگونه عناصر و ترکیبات رقیق شده در یک محلول استاندارد در شرایط آزمایشگاهی رفتار می‌کنند. استوکیومتری بر اساس قانون بقای جرم پایه گزاری شده است که بیان می‌کند جرم ماده واکنش داده با جرم ماده محصول برابر است.
استوکیومتری ترکیب، روابط میان عناصر در ترکیبات را توضیح می‌دهد. برای مثال، استوکیومتری ترکیب توضیح می‌دهد که نسبت هیدروژن به نیتروژن در ترکیب آمونیاک (NH3) به این صورت است: 1 مول از آمونیاک شامل 1 مول نیتروژن و 3 مول هیدروژن است. به این دلیل که اتم نیتروژن 14 برابر از هیدروژن سنگین‌تر است، نسبت جرمی این ترکیب 14:3 است، بنابراین 17kg از آمونیاک شامل 14kg نیتروژن و 3kg هیدروژن است.
مقدار استوکیومتریک یا نسبت استوکیومتریک یک واکنشگر، مقدار یا نسبت بهینه‌ای است که فرض می‌شود با این مقدار یا نسبت، واکنش به سمت کامل شدن پیش می‌رود:
1. تمامی واکنشگرها بطور کامل مصرف می‌شوند
2. هیچ کمبودی از لحاظ واکنشگر وجود ندارد
3. هیچ مقدار اضافی از واکنشگر وجود ندارد
یک مخلوط غیر استوکیومتریک، در صورتیکه بصورت کامل انجام شود، فقط مقادیر محدود کننده از واکنشگرها بطور کامل مصرف می‌شوند. لازم به ذکر است که محدود کننده، ماده‌ای است که مقدار آن از مقدار یا نسبت استوکیومتری تعیین شده کمتر است.
به این دلیل که تقریبا تمامی واکنش‌ها نسبت واکنشگرها را بصورت مقداری بر اساس واحد ماده (مول، تعداد ذرات) بیان می‌کنند، بعضی ترکیبات غیر استوکیومتریک نمی‌توانند توسط یک نسبت کاملا براساس اعداد طبیعی تعریف شوند. این مواد قانون نسبت‌های معین و قانون نسبت‌های چندگانه را که پایه‌ی استوکیومتری هستند را نقض می‌کنند.
استوکیومتری گازی در رابطه با واکنش‌های شامل گاز است. برای گازها، برای نسبت حجم، حجم را بصورت ایده‌آل همان حجم بدست آمده از قانون گازهای ایده‌آل در نظر می‌گیرند ولی برای نسبت جرمی، باید از محاسبه جرم‌های مولکولی واکنشگرها و محصولات استفاده شود. در عمل، به دلیل وجود ایزوتوپ‌ها، به جای جرم‌های مولکولی از جرم‌های مولی استفاده می‌شود.
در زیر یکی از سوالات المپیاد شیمی 2013 آمریکا را برای شما مطرح می‌کنیم که از طریق روش‌های استوکیومتری حل می‌شود.
یک محلول با جرم 1.263g شامل یک مقدار نامعین از یون‌های پتاسیم با مقدار اضافی از سدیم تترافنیل برات ترکیب شده تا 1.003g از (KB(C6H5)4 (M=358.33 رسوب دهد. درصد جرمی پتاسیم در محلول اولیه چقدر است؟
1. 8.67%
2. 9.16%
3. 10.9%
4. 13.8%