Kimyasal Tepkimelerde Hesaplamalar

Kimya laboratuvarlarında kullanılan en yaygın hesaplama bilinen madde miktarından(girenler) ne kadar ürün elde edileceğidir(çıkanlar). Tepkimelerde ölçülebilir sonuçlar elde edilebilmesi için mol kütlesi ve mol kavramı kullanılmaktadır.

Tepkimeye giren maddeler ve ürünler mol, tane, gram, litre (gazlar için) ya da bazı diğer birimler cinsinden verilmiş olsa da tepkimede ürün miktarının hesaplanmasında mol birimi kullanılır. Bu yönteme kimyasal hesaplamalarda mol yöntemi denir. Kimyasal tepkimelerde katsayılar mol sayılarını belirtir.

👩‍🔬Örnek:

C₄H₁₀ (bütan) gazının O₂ (oksijen) gazıyla yanması sonucu CO₂ ve H₂O oluşur. Tepkime denkleştirildiğinde aşağıdaki gibi yazılır. Bu durumda giren ve çıkan ürünlerin miktarını mol cinsinden yazınız.

2C₄H₁₀	13O₂	→	8CO_2(g)	10H₂O_(g)	+ ısı
2 mol	13 mol		8 mol	10 mol
2 N_A tane	13N_A tane		8 N_A	10 N_A tane
2 molekül	13 molekül		8 molekül	10 molekül
58 akb	416 akb		352 akb	180 akb
58 g	416 g		352 g	180 g
2 hacim	13 hacim		8 hacim	10 hacim
48,8 lt (NŞA)	291,2 lt (NŞA)		179,2 lt (NŞA)	224 lt (NŞA)

*NŞA: Normal şartlar altında

Yukarıda verilen tepkimeye göre 2 mol bütan gazı harcandığında 13 mol oksijen gazı tüketilir. Tepkime sonunda ise 8 mol karbondioksit ve 10 mol su buharı oluşur.

Kimyasal tepkimelerde hesaplama yapılırken aşağıdaki yöntemler dikkate alınır.

Verilen tepkimede giren ve çıkanlara göre tepkime denklemi yazılır.
Tepkimenin denklemi denkleştirilir.
Tepkimede verilen madde miktarı (kütle, tane, NŞA hacim) mol birimine dönüştürülür.
Tepkimede tepken ve ürün oranları belirlendikten sonra verilen miktardan, istenilen tepken veya ürün miktarı mol olarak bulunur.
Bulunan mol miktarı istenilen miktara dönüştürülür.

Kimyasal hesaplamalarda madde miktarını mol, tane, litre, gram gibi farklı birimlere çevirmek için aşağıdaki formüller kullanılır.

Normal şartlar altında verilen maddenin mol sayısını bulma

Farklı problemlerde maddelerden birinin miktarı verilerek tepkimedeki farklı maddelerin; miktarı, yüzdesi, atom veya molekül kütlesi, maddenin formülü, saf olmayan madde içeren problemler sorulabilir. Kimyasal hesaplama soruları yapılırken maddelerin tepkimedeki miktarları ile sorudaki miktarları arasında basit kıyaslamalar yapılarak sonuca ulaşılır.

Madde Miktarlarından Birinin Verildiği Sorular

Maddelerden birinin kütlesi, hacmi, mol sayısı veya tanecik sayısı verilen kimyasal tepkime denkleminde farklı maddelerin herhangi bir cinsten miktarı sorulabilir.

🧪Örnek: CH₄ gazının 3 molünün yanması sonucu oluşan CO₂ ve H₂O, harcanan O₂ miktarı nedir?

Denkleşmiş tepkime denklemi : CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂ +2H₂O(s) şeklinde olur. Soruda verilen 3 mol CH₄ gazı referans alınarak diğer madde türleri de doğru orantı kurularak mol türünden hesaplanır. Daha sonra istenilen madde türüne dönüşüm yapılır.

1 mol CH₄(g) tepkimeye girdiğinde 1 mol CO₂ elde edilir. 3 mol CH₄(g) için 3 mol CO₂ elde edilir. formülünden V=67,2 litre CO₂ oluşur.
1 mol CH₄(g) tepkimeye girdiğinde 2 mol H₂O elde edilir. 3 mol CH₄(g) için 6 mol H₂O elde edilir.
1 mol CH₄(g) için 2 mol O₂(g) tükeniyor ise 3 mol CH₄(g) için 6 mol O₂(g) tükenir. formülünden =192 gram O₂

İkinci bir yöntem olarak verilen mol sayısı yerine madde miktarları, soruda istenilen mol, kütle, hacim, tanecik sayısına dönüştürülür. Madde miktarları arasındaki ilişki tepkime üstünde kurulabileceği gibi oran orantı denklemleri sonucunda da elde edilebilir.

📚 Bilgi: Tepkimelerde maddelerin önüne yazılan katsayılar mol sayısı, tanecik sayısı oranını ve gaz haldeki maddelerin hacim oranlarını belirtir. Fakat kütle oranları için kullanılamaz çünkü maddelerin mol kütleleri farklılık göstermektedir.

Aynı Anda Oluşan Tepkimeler

Bazı tepkimeler ile ilgili sorularda iki ya da daha fazla element veya bileşik içeren karışımlar bulunur. Karışımdaki maddelerin miktarını ve yüzde oranlarını hesaplayabilmek için maddenin denkleşmiş tepkimesi yazılır.

🧪Örnek: CH₄ ile C₂H₆ gaz karışımının 5 molünün tamamen yanması sırasında 8 mol CO₂ gazının oluştuğu tepkimede; karışımdaki gazların mol sayıları, gazların molce yüzdeleri, gazların hacimleri ve hacimce yüzdeleri, gazların kütleleri, gazların kütlece yüzdeleri, karışımın NKA’da kaç litre hacim kaplayacağı hesaplanabilir.
(C:12 g/mol, H:1 g/mol)

Çözüm:

Yama tepkimeleri yazılır ise

CH₄ (g) + 2O₂ (g) → CO₂ (g) +2H₂O (s)
C₂H₆ + 7/2 O₂ → 2CO₂(g) + 3 H₂O(s)
- Girenler kısmında gaz karışımının toplam 5 molü yandığında 8 mol CO₂ oluştuğu biliniyor ise X mol CH₄ (g) ve Y mol C₂H₆ şeklinde katsayı verelim. Bu durumda X mol CO₂ ve 2Y mol CO₂ oluşur.
- Mol sayıları: İfadeler ile denklem kurulur ise X+Y=5 ve X+2Y=8 olur. X=2, Y=3 bulunur.
- Molce yüzdeleri: 5 mol gaz karışımında 2 mol CH₄ bulunuyor ise 100 molde 40 bulunur yani molce %40 CH₄ vardır. %60 C₂H₆ vardır.
- Hacimleri: 1 mol gaz 22,4 litre hacim kaplar ise 2 mol CH₄ 44,8 litre Hacim kaplar. 3 mol C₂H₆ 67,2 litre hacim kaplar.
- Hacimce yüzdeleri: 112 litre gazın içinde 44,8 litre CH₄ bulunuyor ise 100 litrede 40 litre bulunur yani %40 CH₄ bulunur. Aynı orantı C₂H₆ için de yapılır ise %60 C₂H₆ içerdiği hesaplanır.
- Gazların kütleleri: 1 mol CH₄ 16 gram ise 2 mol 32 gram olur. 1 mol C₂H₆ 30 gram ise 3 mol 90 gram olur.
- Gazların kütlece yüzdeleri: 122 gram gazın 32 gramı CH₄ ise karışım kütlece %26,2 CH₄ içerir. %73,8 C₂H₆ içerir.
- NKA’da kaplanan hacim: 1 mol gaz 22,4 litre hacim kaplar 5 molü 112 litre kaplar.

Atom ve Molekül Kütlesinin (M_A) Hesaplanması

Kimyasal tepkimede bir elementin atom kütlesi veya bir bileşiğin molekül kütlesi sorulduğunda denkleşmiş tepkimedeki katsayılardan (mol sayıları) faydalanılarak sorulan maddenin 1 molünün kütlesi bulunur.

🧪Örnek: 2Al(k) + X₂O₃(k) → Al₂O₃(k) + 2X(s) tepkimesine göre 10,8 gram Al metali 32 gram X₂O₃ bileşiği ile artansız tepkimeye girmektedir. Bileşikteki X elementinin mol kütlesi kaçtır? (O:16 g/mol, Al:27 g/mol)

Çözüm:

10,8 gram Al metali 0,4 mol Al yapmaktadır.
Tepkime katsayıları düzenlenir ise 0,4 Al(k) + 0,2 X₂O₃(k) → 0,2 Al₂O₃(k) + 0,4 X(s) halini alır.
Tepkimeye giren 0,2 mol X₂O₃ katısının 32 gram olduğu soruda bize verilmiştir. Bu durumda 0,2 mol X₂O₃ katısında 0,6 mol yani 9,6 gram O olduğunu hesaplarız.
Geriye kalan 22,4 gram ise X tir. 0,4 mol X katısı 22,4 g ise X in mol kütlesi 56 g olarak bulunur.

Bileşik Formülü Bulma

Bileşik formülünün hesaplanması istenilen sorularda 1 mol maddenin tepkimesinden oluşan maddeler belirlenir. Tepkimede girenler ve ürünlerdeki madde denkliğinden yararlanılarak formül bulunur.

🧪Örnek: X bileşiğinin 0,1 molü, 0,5 mol O₂ ile tamamen tepkimeye girdiğinde NKA’da 6,72 litre CO2 ve 7,2 gram H₂O oluşuyor. Bu durumda bileşiğin formülü nedir?

Çözüm:

Verilen madde miktarlarının hepsini mol cinsinden hesaplayarak tepkimede yerine yazalım.
- 1 mol gaz NKA’da 22,4 litre hacim kaplar ise 6,72 litre CO₂ gazı 0,3 mol olur.
- 1 mol H₂O 18 gram ise 7,2 gram H₂O 0,4 mol yapar.
Tepkime denkleminde soruda verilen ve bulunan mol sayıları yazılır ise
- 0,1 X + 0,5 O₂ → 0,3 CO₂ + 0,4 H₂O halini alır.
- Hesaplama kolaylığı açısından tepkime katsayıları 10 ile çarpıldığında
  X + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O olur.
Tepkimenin girenler ve ürünler tarafındaki elementler hesaplanır ise
- Girenler tarafında 10 mol O atomu vardır.
- Ürünler tarafında 3 mol C, 8 mol H 10 mol O atomu vardır.
Girenler ve ürünler dengesine bakıldığında oksijen atomu eşittir. Karbon atomu girenlerde 3 mol, hidrojen atomu 8 mol olmalıdır.
Bu bilgiler ışığında X bileşiğinin fomülü C₃H₈ olarak bulunur.

Sınırlayıcı Bileşen Hesaplama

Kimyasal tepkimede, girenler ortamda her zaman stokiyometrik oranlarda olmayabilir. Tepkimede ürünler daima belirli bir oranda tepkime verirken giren maddelerden birisi daha önce tükenebilir. Bir tepkimede tamamen tükenen maddeye sınırlayıcı bileşen denir. Sınırlayıcı bileşen tamamen tükendiğinde oluşan ürünlerin miktarı belirlenir.

🧪Örnek:

0,16 g H₂, NŞA’da 1,12 litre O₂ ile etkileşerek su oluşturuyor. Hangi gazın kaç molü reaksiyona girmeden kalır? (H:1 O:16)

Çözüm:

H₂ + 1/2 O₂ → H₂O tepkimesinde verilen miktarları mol sayısına çevirelim
2 g H₂ gazı 1 mol olduğuna göre 0,16 g H₂ 0,08 mol olur.
22,4 l O₂ 1 mol ise 1,12 litre O₂ gazı 0,05 mol O₂ gazı yapar.
Şimdi tekrar denkleme dönersek 1 mol H₂ ye karşılık 1/2 mol O₂ reaksiyona girdiği görülür. O halde elimizde 0,08 mol H₂ ye karşı 0,04 mol O₂ reaksiyona girer.
Sonuç olarak 0.05 mol O₂ den 0,05-0,04=0,01 mol O₂ reaksiyona girmeden artar.

Bu tip problemlerin denklemli miktar geçişleri problemlerinden farkı iki maddenin birden miktarının verilmesidir. Genelde bu tip problemlerde reaksiyona giren maddelerden birinin miktarı tamamen tükenirken diğerinin miktarı aşırı miktarda olup bir kısmı reaksiyona hiç girmeden kalır. Katsayıları denkleştirilmiş, atom ağırlıkları belirlenmiş bir problemde, maddelerden birinin miktarından diğer maddelerin miktarının nasıl bulunduğunu aktarmaya çalışacağız.

Ancak bu tür problemlerde aranan şudur: Reaksiyona girenler durumundaki maddelerin verilen miktarları, reaksiyona giren miktar demek olmadığı için hangisinin tamamen harcandığı, hangisinin ne kadar artacağı buldurulur veya oluşan ürünlerden birinin miktarı sorulabilir.

Bu tür problemleri çözerken izlenecek yol; önce denklemi denkleştirmek, sonra verilen madde miktarlarını mole çevirmek olmalıdır. Reaktiflerin ve reaktantların mol oranlarına bakılarak kaç mol girmiş kaç mol ürün oluşacak tahmin edilebilir. Katsayılar da dikkate alınırsa maddelerden hangisinin aşırı olduğu belirlenebilir. Şayet soru mol sayısı değil de başka bir cinsten cevap isteyen türden bir soru ise orantı ile geçiş yapmak mümkündür. Başka bir örnek verirsek;

🧪Örnek:

20 litre N₂ ile 30 litre H₂ nin reaksiyonunda;
a. Hangi gazdan kaç litre kalır?
b. Kaç litre NH₃ gazı oluşur?
c. Artan gazın tamamının reaksiyona girmesi için diğer gazdan kaç litre ilave edilmelidir?

N₂+3H₂ → 2NH₃

Çözüm:

a. 3 hacim H₂ ile 1 hacim N₂ tepkimeye girdiğine göre 30 litre H₂ ye sadece 10 litre N₂ harcanır. O halde 20-10=10 litre N₂ reaksiyona girmeden kalır.
b. 2 litre H₂ den 2 litre NH₃ oluşuyorsa 30 litre H₂ den 20 litre NH₃ gazı oluşur diyebiliriz.
c. 10 litre N₂arttığını daha önce bulmuştuk zaten. 1 litre N₂ ile 3 litre H₂ reaksiyona giriyorsa 10 litre N₂ nin reaksiyona girmesi için 30 litre daha H₂ eklenmelidir.

Tepkime Denklemleri Temelinde % Verim Hesapları

Çoğunlukla bir reaksiyondan elde edilen ürünün miktarı, hesaplanan miktardan daha azdır. Çünkü maddenin bir kısmı tepkimeye girmiştir, istenenden farklı yönde reaksiyonlar gerçekleşmiştir. Bu tür reaksiyonlara yan reaksiyonlar, oluşan ürünlere de yan ürünler adı verilir. Ters yönde tepkimeler de meydana gelmiş olabilir, sistemden kaynaklı hatalar da olabilir. Elde edilen ürün saf olmayabilir, saflaştırılırken madde kaybı olabilir ve verim de düşebilir. Reaksiyon verimleri de saflık gibi % ile ifade edilir. %50 verimin anlamı şudur: 100 g ürün oluşması gerekirken 50 g ürün oluşmuş olmasıdır. Deneysel sonuçlarla elde edilen ürünün miktarına gerçek verim, kağıt üzerinde hesaplanan miktarına da kuramsal verim denir.

Bir tepkimenin % verimi aşağıdaki formül ile hesaplanır.

🧪Örnek:

1 mol etilen (C₂H₄) yakıldığında 1,5 mol CO₂ oluşmaktadır. Bu tepkimenin verimi % de kaçtır?

Çözüm:

Reaksiyon denkleminin tamamının yazılmasına gerel yoktur. Yapısında C ve H bulunan bileşikler yakıldıklarında yapıdaki C sayısı kadar CO₂ açığa çıkar, soruda da bize sorulan CO₂ dir.
C₂H₄ + …. → CO₂ + …
Tepkime sonunda elde edilen 1,5 mol CO₂ deney sonucu elde edilen miktar yani gerçek verimdir. Kurumsal verimi ise denklem katsayılarını kullanarak hesaplamamız mümkündür. Zaten C₂H₄ ün mol sayısı soruda 1 mol olarak verilmiştir. Tepkimede ise kuramsal olarak 2 mol CO₂ elde edilir. O halde; gerçek verim 1,5 mol CO₂, kuramsal verim 2 mol CO₂ dir. Tepkime verimi hesaplanır ise;
=1,5×100/2=% 75 olur.

🧪Örnek:

CH₃OH(g) →CH₂O + H₂(g) denklemine göre 6,4 g CH₃OH dan 4,5 g CH₂O elde edilmektedir. Buna göre bu tepkimenin % verimi kaçtır? (C:12 H:1 O:16)

Çözüm:

CH₃OH=12+(4×1)+16=32 g/mol
CH₂O=12+(2×1)+16=30 g/mol
4,5 g CH₂O gerçek verimdir. Kuramsal verim hesaplanır ise 32 g CH₃OH dan 30 g CH₂O oluştuğuna göre 6,4 g CH₃OH dan 6 g CH₂O elde edilir.
% verim = 4,5×100/6 = %75