12.2: Коефіцієнти молів

Малюнок$\PageIndex{1}$ (Кредит: Користувач:Ilemme/Вікіпедія; Джерело: Вікісховище Вікімедіа, Файл:Col 03 scup ganch chairs.JPG (відкривається у новому вікні) [commons.wikimedia.org]; Ліцензія: Громадське надбання)

Для чого потрібен цей ганок?

Ви хочете додати деякі секції до ганку, як видно вище. Перед тим як відправитися в будівельний магазин за покупкою пиломатеріалів, потрібно визначитися зі складом агрегату (матеріал між двома великими стійками). Ви підраховуєте, скільки стовпів, скільки дощок, скільки рейок — тоді ви вирішуєте, скільки секцій ви хочете додати, перш ніж розрахувати кількість будівельного матеріалу, необхідного для розширення вашого ганку.

Коефіцієнти кротів

Проблеми стехіометрії можна охарактеризувати двома речами: (1) інформація, надана в проблемі, і (2) інформація, яка повинна бути вирішена, називається невідомою. Дане і невідоме можуть бути як реагентами, так і продуктами, або один може бути реагентом, а інший - продуктом. Кількість речовин може виражатися в родимках. Однак в лабораторній ситуації прийнято визначати кількість речовини, знаходячи його масу в грамах. Кількість газоподібної речовини може виражатися його обсягом. У цій концепції ми зупинимося на типі проблеми, де і дана, і невідома величини виражаються в молі.

Малюнок$\PageIndex{2}$: Співвідношення кротів. (Кредит: Крістофер Auyeung; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Хімічні рівняння виражають кількість реагентів і продуктів в реакції. Коефіцієнти збалансованого рівняння можуть представляти або кількість молекул, або кількість молів кожної речовини. Виробництво аміаку$\left( \ce{NH_3} \right)$ з азоту та водневих газів є важливою промисловою реакцією, яка називається процесом Хабера, на честь німецького хіміка Фріца Хабера.

$$\ce{N_2} \left( g \right) + 3 \ce{H_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{NH_3} \left( g \right)\nonumber$$

Збалансоване рівняння можна проаналізувати кількома способами, як показано на малюнку нижче.

Малюнок$\PageIndex{3}$: Це подання виробництва аміаку з азоту та водню показує кілька способів інтерпретації кількісної інформації про хімічну реакцію. (Кредит: Крістофер Auyeung; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Ми бачимо, що 1 молекула азоту реагує з 3 молекулами водню, утворюючи 2 молекули аміаку. Це найменша можлива відносна кількість реагентів і продуктів. Щоб розглянути більші відносні суми, кожен коефіцієнт можна помножити на одне і те ж число. Наприклад, 10 молекул азоту вступали б у реакцію з 30 молекулами водню, утворюючи 20 молекул аміаку.

Найкорисніша кількість для підрахунку частинок - моль. Отже, якщо кожен коефіцієнт помножити на моль, збалансоване хімічне рівняння говорить нам, що 1 моль азоту реагує з 3 молями водню, утворюючи 2 молі аміаку. Це звичайний спосіб інтерпретації будь-якого збалансованого хімічного рівняння.

Нарешті, якщо кожна кількість моля перетворюється в грами за допомогою молярної маси, ми можемо побачити, що дотримується закон збереження маси. $1 \: \ce{mol}$азоту має масу$28.02 \: \text{g}$, в той час як$3 \: \text{mol}$ водню має масу$6.06 \: \text{g}$, а$2 \: \text{mol}$ аміаку має масу$34.08 \: \text{g}$.

$$28.02 \: \text{g} \: \ce{N_2} + 6.06 \: \text{g} \: \ce{H_2} \rightarrow 34.08 \: \text{g} \: \ce{NH_3}\nonumber$$

Маса і кількість атомів повинні бути збережені в будь-якій хімічній реакції. Кількість молекул не обов'язково зберігається.

Малюнок$\PageIndex{4}$: Апарат для запуску процесу Хабера. (Кредит: Користувач: JGVberkel/Wikimedia Commons; Джерело: Вікісховище Вікімедіа, Хабер Аміак (відкривається в новому вікні) [commons.wikimedia.org]; Ліцензія: Громадське надбання)

Мольний коефіцієнт - коефіцієнт перетворення, який пов'язує кількості в молі будь-яких двох речовин в хімічній реакції. Числа в коефіцієнті перетворення походять від коефіцієнтів збалансованого хімічного рівняння. Наступні шість мольних співвідношень можна записати для реакції утворення аміаку вище.

$$\begin{array}{ccc} \dfrac{1 \: \text{mol} \: \ce{N_2}}{3 \: \text{mol} \: \ce{H_2}} & or & \dfrac{3 \: \text{mol} \: \ce{H_2}}{1 \: \text{mol} \: \ce{N_2}} \\ \dfrac{1 \: \text{mol} \: \ce{N_2}}{2 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}} & or & \dfrac{2 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}}{1 \: \text{mol} \: \ce{N_2}} \\ \dfrac{3 \: \text{mol} \: \ce{H_2}}{2 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}} & or & \dfrac{2 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}}{3 \: \text{mol} \: \ce{H_2}} \end{array}\nonumber$$

У задачі мольного співвідношення спочатку пишеться дана речовина, виражена в родимках. Відповідний коефіцієнт перетворення вибирається для того, щоб перетворити з молів даної речовини в молі невідомого.

Приклад$\PageIndex{1}$: Mole Ratio

Скільки утворюється моль аміаку, якщо 4,20 моля водню реагують з надлишком азоту?

Рішення

Крок 1: Перерахуйте відомі величини та плануйте проблему.

Відомий

• дано: Н ₂ = 4,20 моль

Невідомий

• моль NH ₃

Перетворення відбувається від$\text{mol} \: \ce{H_2}$ до$\text{mol} \: \ce{NH_3}$. Проблема стверджує, що існує надлишок азоту, тому нам не потрібно турбуватися про будь-яке мольне співвідношення за участю$\ce{N_2}$. Виберіть коефіцієнт перерахунку, який має$\ce{NH_3}$ в чисельнику і$\ce{H_2}$ в знаменник.

Крок 2: Вирішіть.

$$4.20 \: \text{mol} \: \ce{H_2} \times \dfrac{2 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}}{3 \: \text{mol} \: \ce{H_2}} = 2.80 \: \text{mol} \: \ce{NH_3}\nonumber$$

Реакція$4.20 \: \text{mol}$ водню з надлишком азоту виробляє$2.80 \: \text{mol}$ аміак.

Крок 3: Подумайте про свій результат.

Результат відповідає співвідношенню водню до аміаку 3:2 з збалансованого рівняння.

Резюме

• Мольні співвідношення дозволяють порівнювати кількості будь-яких двох матеріалів у збалансованому рівнянні.
• Розрахунки можуть бути зроблені для прогнозування того, скільки продукту можна отримати з заданої кількості молів реагенту.

Рецензія

• Якщо реагенту надлишок, чому ми не турбуємось про співвідношення молів, що стосуються цього реагенту?
• Яке мольне співвідношення Н до N в молекулі аміаку?
• Формула етанолу - СН ₃ СН ₂ ОН. Яке мольне співвідношення Н до С в цій молекулі?