5.5: الحسابات الكيميائية للعناصر المتفاعلة والغازات

تصف الحسابات الكيميائية للعناصر المتفاعلة العلاقة الكمية بين المواد المتفاعلة والمنتجات في التفاعلات الكيميائية.

بالإضافة إلى قياس كميات المواد المتفاعلة والمنتجات باستخدام الكتل للمواد الصلبة والأحجام جنباً إلى جنب مع مولاية المحاليل؛ الآن، يمكن استخدام أحجام الغازات للإشارة إلى الكميات. إذا كان حجم الغاز وضغطه ودرجة حرارته معروفين، فيمكن استخدام معادلة الغاز المثالية لحساب عدد مولات الغاز الموجودة. على العكس من ذلك، إذا كانت كمية مولات الغاز معروفة، فيمكن تحديد حجم الغاز عند أي درجة حرارة وضغط.

على سبيل المثال، دعونا' نحتسب حجم الهيدروجين عند 27°C و723 torr تم تحضيره بواسطة تفاعل 8.88 غ من الغاليوم مع فائض من حمض الهيدروكلوريك.

أولاً، حوّل الكتلة المقدمة من المادة المتفاعلة المحددة، Ga، إلى مولات الهيدروجين الناتج:

حوّل قيم درجة الحرارة والضغط المقدمتين إلى وحدات مناسبة (K وatm على التوالي)، ثم استخدم كمية الغاز المولية والمعادلة المثالية للغاز لحساب حجم الغاز:

مراجعة قانون أفوجادرو’s

يمكن للمرء أيضا الاستفادة من سمة بسيطة من الحسابات الكيميائية للغازات التي لا تظهر المواد الصلبة والحلول : جميع الغازات التي تظهر السلوك المثالي تحتوي على نفس عدد الجزيئات في نفس الحجم (في نفس درجة الحرارة والضغط). وبالتالي، فإن نسب أحجام الغازات التي تنطوي على تفاعل كيميائي تُعطى بواسطة المعاملات في معادلة التفاعل، شريطة أن يتم قياس أحجام الغازات بنفس درجة الحرارة والضغط.

يمكن تمديد قانون أفوجادرو’s (الذي يفيد بأن حجم الغاز يتناسب بشكل مباشر مع عدد المولات من الغاز) إلى التفاعلات الكيميائية مع الغازات: تجمع الغازات، أو تتفاعل، بنسب محددة وبسيطة حسب الحجم، شريطة أن يتم قياس كل أحجام الغاز بنفس درجة الحرارة والضغط.

على سبيل المثال، بما أن غازات النيتروجين والهيدروجين تتفاعل لإنتاج غاز الأمونيا وفقًا لـ  

يتفاعل حجم معين من غاز النيتروجين مع ثلاثة أضعاف حجم غاز الهيدروجين لإنتاج ضعف حجم غاز الأمونيا إذا ظل الضغط ودرجة الحرارة ثابتين.

وفقاً لقانون أفوجادرو’s فإن الأحجام المتساوية من غازات N₂، H₂، و NH₃ بنفس درجة الحرارة والضغط، تحتوي على نفس العدد من الجزيئات. ولأن جزيء واحد من N2 يتفاعل مع ثلاثة جزيئات منH₂ لإنتاج جزيئين من الأمونيا NH₃ فإن حجم H₂ المطلوب يبلغ ثلاثة أضعاف حجم N₂، وحجم الأمونيا NH₃ الناتج هو ضعف حجم N₂.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.3 Stoichiometry of Gaseous Substances, Mixtures, and Reactions.

فلنتذكر أنه من أجل تفاعل كيميائي متوازن،فإن الحسابات التي تتضمن كتلة المواد المتفاعلة،والنواتج،و كذلك عدد المولات،تتم باتباع خطة مفاهيمية عامة. هنا،المعاملات المتكافئة تستخدم كعوامل تحويل بين مولات المواد المتفاعلة ومولات النواتج. في التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على مواد غازية،عادة ما يتم تحديد كمية الغاز من حيث حجمه عند درجة حرارة وضغط معينين.

هذا لأن الغازات سائلة وتتوسع لملء أي حجم متاح. في التفاعلات الغازية،كمية المول وحجم الغاز مترابطة من خلال قانون الغاز المثالي. بهذه الطريقة،يمكن لعدد المولات أن يتم تحديده من حجم الغاز والعكس صحيح.

الجمع بين مفاهيم قانون الغاز المثالي،و الكتلة المولية،والقياس المتكافئ يسمح بإجراء الحسابات المتعلقة بحجم وعدد المولات،وكتلة المواد الغازية المتفاعلة والناتجة. كمثال،لنضع في اعتبارنا التفاعل بين الليثيوم والماء لإنتاج غاز الهيدروجين. بافتراض أن التفاعل يحدث عند 291 كلفن و 0.977 ضغط جوي ما هي كمية الليثيوم التي سينتجها 35.25 لتر من الهيدروجين؟أولاًبتطبيق قانون الغاز المثالي واستبدال المعطيات من قيم الضغط والحجم ودرجة الحرارة،وثابت الغاز المثالي.

تصبح مولات غاز الهيدروجين محسوبه. ثم،باستخدام النسبة المتكافئة،يتحول عدد مولات غاز الهيدروجين الى مولات الليثيوم. أخيرًا،ضرب في الكتلة المولية للليثيوم ينتج عنه كتلة 20.0 جرام.

وبالتالي،سينتج 20.0 جرامًا من الليثيوم من 35.25 لتر من الهيدروجين. للتفاعلات الكيميائية الغازية التي تحدث في الظروف القياسية درجة الحرارة والضغط القياسيان الحجم المولي،يكافئ 22.4 لتر ثابت. يتم استخدام عامل التحويل في الحسابات المتكافئة التي تتضمن غازات،في الظروف القياسية.

على سبيل المثال،تكوين الماء في الظروف القياسية. ما هو حجم الهيدروجين المطلوب لإنتاج 2 جرام من الماء؟باتباع الخطة المفاهيمية العامة،أولاًكتلة الماء مقسومة على كتلتها المولية،لإعطاء مولات الماء. ثم يتم استخدام النسبة المتكافئة لتحديد مولات الهيدروجين.

أخيرا،عامل تحويل المول إلى الحجم في الظروف القياسية يستخدم للحصول على 2.5 لتر من غاز الهيدروجين. وهكذا ينتج 2.5 لتر من الهيدروجين،2 جرام من الماء في الظروف القياسية.