بخش زیادی از اشتباهات استوکیومتری از یک مرحله کوچک آغاز میشود: استفاده از معادله موازنهنشده، اشتباهگرفتن نسبت مول با جرم یا فراموشکردن خلوص. برای حل دقیق مسئله، لازم است مسیر تبدیل کمیتها روشن باشد. مثالهای این مقاله آموزشیاند و جرمهای مولی در آنها بهصورت تقریبی استفاده شدهاند.
استوکیومتری چه رابطهای را بررسی میکند؟
استوکیومتری ارتباط مقداری واکنشدهندهها و فرآوردهها را از روی معادله موازنهشده بیان میکند. مسیر رایج یک مسئله جرمبهجرم شامل تبدیل جرم ماده اول به مول، استفاده از نسبت ضرایب و تبدیل مول ماده دوم به جرم است. شرح بیشتر این مبنا را میتوانید در درس استوکیومتری واکنش در کتاب Chemistry 2e دانشگاهی OpenStax بخوانید.
اشتباه اول: شروع محاسبه پیش از موازنه واکنش
برای تشکیل آب، معادله موازنهشده به شکل زیر است:
2 H2 + O2 → 2 H2O
این معادله میگوید به ازای مصرف ۲ مول هیدروژن، ۱ مول اکسیژن مصرف میشود و ۲ مول آب تشکیل میشود. پیش از محاسبه، تعداد اتمهای هر عنصر را در دو طرف بررسی کنید. برای موازنه، ضریب جلوی فرمول را تغییر دهید؛ تغییر زیروند، هویت ماده را عوض میکند.
اشتباه دوم: استفاده از ضرایب بهعنوان نسبت جرم
ضریب ۲ برای هیدروژن به معنی دو برابر بودن جرم آن نسبت به اکسیژن نیست. با جرم مولی تقریبی ۲ گرم بر مول برای هیدروژن و ۳۲ گرم بر مول برای اکسیژن، ۴ گرم هیدروژن با ۳۲ گرم اکسیژن واکنش میدهد. نسبت جرم از ترکیب نسبت مولی و جرمهای مولی به دست میآید.
مثلاً اگر ۸ گرم هیدروژن و اکسیژن کافی داشته باشیم، ابتدا ۸ را بر ۲ تقسیم میکنیم و به ۴ مول هیدروژن میرسیم. نسبت مولی آب به هیدروژن یک است؛ پس مقدار نظری آب ۴ مول و جرم آن با جرم مولی تقریبی ۱۸، برابر ۷۲ گرم است. اکسیژن مصرفشده ۶۴ گرم خواهد بود و جمع جرم ورودیهای مصرفشده با محصول سازگار است.
اشتباه سوم: انتخاب محدودکننده براساس جرم کمتر
وقتی مقدار چند واکنشدهنده داده شده، باید ببینیم کدامیک زودتر و مطابق نسبت واکنش تمام میشود. برای یک واکنش مشخص، مقدار مول هر واکنشدهنده را بر ضریب استوکیومتری آن تقسیم کنید. مقدار کوچکتر، واکنشدهنده محدودکننده را مشخص میکند.
فرض کنید ۶ گرم هیدروژن و ۶۴ گرم اکسیژن داریم. مقدار هیدروژن ۳ مول و مقدار اکسیژن ۲ مول است. برای هیدروژن نسبت مول به ضریب برابر ۳÷۲ یا ۱٫۵ است؛ برای اکسیژن این نسبت ۲÷۱ یا ۲ است. بنابراین هیدروژن محدودکننده است.
در صورت پیشرفت کامل واکنش، ۳ مول آب، یعنی تقریباً ۵۴ گرم، تشکیل میشود. مقدار اکسیژن مصرفشده ۱٫۵ مول است؛ پس ۰٫۵ مول یا ۱۶ گرم اکسیژن باقی میماند. کنترل جرم نیز درست است: ۶ + ۶۴ = ۵۴ + ۱۶. مقدار محصول را از محدودکننده محاسبه کنید، نه از کل ماده اضافی.
اشتباه چهارم: مخلوطکردن خلوص و بازده
خلوص سهم ماده موردنظر در نمونه اولیه است. اگر نمونهای ۱۰ گرم جرم و ۸۰ درصد جرمی خلوص داشته باشد، ۸ گرم ماده خالص دارد؛ با این فرض که ناخالصی در واکنش موردنظر دخالت نکند. این مقدار باید مبنای محاسبه مول قرار گیرد.
بازده مقایسه محصول واقعی با مقدار نظری آن است. اگر مقدار نظری محصول ۲۰ گرم و بازده ۷۵ درصد باشد، مقدار واقعی محصول ۱۵ گرم است. در مسئلهای که هر دو داده وجود دارند، ابتدا مقدار ماده خالص و محصول نظری را به دست آورید و سپس بازده را اعمال کنید.
درصد را هنگام ضرب به کسر تبدیل کنید: ۸۰ درصد برابر ۰٫۸۰ و ۷۵ درصد برابر ۰٫۷۵ است. مراقب باشید یک عامل خلوص یا بازده را دو بار وارد محاسبه نکنید.
اشتباه پنجم: حذف واحد و گردکردن زودهنگام
نوشتن واحدها راهی برای کنترل مسیر حل است. تقسیم گرم بر گرم بر مول باید مول بدهد. اگر واحد نهایی با خواسته مسئله تفاوت دارد، احتمالاً تبدیل دیگری لازم است یا رابطه را نادرست استفاده کردهاید. عددهای میانی را با دقت کافی نگه دارید و در پایان متناسب با دادهها گرد کنید.
تمرین پاسخدار و چکلیست حل
با همان واکنش تشکیل آب، ۴ گرم هیدروژن و ۱۶ گرم اکسیژن داریم. کدام ماده محدودکننده است و حداکثر چند گرم آب تشکیل میشود؟ پیش از دیدن پاسخ، جرمها را به مول تبدیل کنید.
پاسخ: ۲ مول هیدروژن و ۰٫۵ مول اکسیژن داریم. نسبت مول به ضریب برای آنها بهترتیب ۱ و ۰٫۵ است؛ بنابراین اکسیژن محدودکننده است. ۱ مول یا ۱۸ گرم آب تشکیل میشود و ۲ گرم هیدروژن باقی میماند.
- واکنش را موازنه کردهام.
- جرمها را با جرم مولی درست به مول تبدیل کردهام.
- در صورت نیاز محدودکننده را مشخص کردهام.
- خلوص و بازده را در مرحله درست وارد کردهام.
- واحد و معقولبودن پاسخ را کنترل کردهام.
برای ساختن برنامه تمرین، راهنمای روش مطالعه شیمی را بخوانید. اگر خطاها تکرار میشوند، نمونه پاسخهای خود را برای بررسی در کلاس خصوصی شیمی آماده کنید.