Verim hesapları ve sulu çözelti tepkimelerine giriş: elektrolitler, çökelme
Teorik, gerçek ve yüzde verim; elektrolit türleri, iyon derişimleri, çözünürlük kuralları, çökelme tepkimeleri ve net iyonik denklem.
Önceki hafta stoikiometrinin “ideal” halini gördük: hesapladığın kadar ürün oluşuyordu. Gerçekte oluşmaz. Bu haftanın ilk yarısı bunun ölçüsü, yani verim (yield). İkinci yarısı kimyanın büyük kısmının geçtiği ortam: su. Suda çözünen maddelerin nasıl davrandığını, hangi iyonların bir araya gelince katı oluşturduğunu ve bunu nasıl yazacağını öğreneceksin.
Altın kurallar:
- Teorik verim sınırlayıcıdan hesaplanır. Gerçek verim deneyde tartılan değerdir.
- Yüzde verimi geriye kullanırken böl. Düşük verim daha fazla reaktif ister.
- İyonik bileşik suda iyonlarına ayrılır, indisler iyon sayısını verir.
- Net iyonik denklem: sadece değişen türler kalır.
Teorik, gerçek ve yüzde verim
- Teorik verim (theoretical yield): sınırlayıcı reaktifin tamamı ürüne dönüşürse oluşacak ürün miktarı. Hesapla bulunur.
- Gerçek verim (actual yield): deneyde gerçekten elde edilen miktar. Yan tepkimeler, kayıplar, tamamlanmayan tepkimeler yüzünden genelde daha azdır.
- Yüzde verim (percent yield):
Örnek 1. . 100.0 g (CO aşırı) ile 61.2 g Fe elde ediliyor.
Örnek 2 (geriye doğru). Aynı verimle 50.0 g Fe elde etmek için kaç gram gerekir?
teorik olması gereken Fe = 50.0 / 0.875 = 57.14 g
mol Fe = 57.14 / 55.845 = 1.023 mol → mol Fe2O3 = 1.023 / 2 = 0.5116 mol
m(Fe2O3) = 0.5116 × 159.69 = 81.7 g
TUZAK · yüzdeyle çarpmak. Geriye hesapta 50.0 × 0.875 yaparsan daha az reaktif bulursun. Mantık kontrolü: verim %100’ün altındaysa, %100 verime göre gerekenden fazla reaktif kullanmalısın.
Yüzde verim %100’ü aşıyorsa ürün kurumamıştır ya da safsızlık içerir. Fiziksel olarak teorik verimden fazla ürün oluşamaz.
Çok adımlı sentezlerde toplam verim adım verimlerinin çarpımıdır: %90 ve %90 → %81.
Sulu çözeltiler ve elektrolitler
Suda çözündüğünde elektriği ileten maddeye elektrolit (electrolyte) denir. İletkenlik, çözeltide serbest dolaşan iyonlardan gelir.
| Tür | Suda ne olur? | Örnekler |
|---|---|---|
| Güçlü elektrolit (strong) | Tamamen iyonlaşır | çözünen iyonik bileşikler (NaCl, ), güçlü asitler (HCl, , ), güçlü bazlar (NaOH, KOH) |
| Zayıf elektrolit (weak) | Çok azı iyonlaşır, denge kurulur | zayıf asitler (, HF), zayıf bazlar () |
| Elektrolit olmayan (nonelectrolyte) | Molekül olarak kalır | şeker, etanol, üre |
Güçlü elektrolit için tek yönlü ok, zayıf için çift yönlü ok yazılır:
Laboratuvarda bunu bir ampul ve iki elektrotla görürsün: güçlü elektrolit çözeltisinde ampul parlak yanar, zayıf elektrolitte sönük yanar, elektrolit olmayan çözeltide hiç yanmaz. Saf su da neredeyse iletmez; iletkenliği sağlayan çözünmüş iyonlardır.
TUZAK · çözünürlük ile elektrolit gücünü karıştırmak. “Güçlü elektrolit” çözünen kısmın tamamen iyonlaştığını söyler, çok çözündüğünü değil. AgCl çok az çözünür ama çözünen azıcık kısım tamamen iyonlaştığı için güçlü elektrolit sayılır. Asetik asit ise suyla her oranda karışır ama zayıf elektrolittir.
İyon derişimleri
Güçlü elektrolitte her iyonun derişimi, bileşiğin molaritesi çarpı formüldeki iyon sayısıdır. 0.0500 M için:
İki çözelti karışırsa (tepkime yoksa) her iyonun molünü ayrı ayrı topla, toplam hacme böl. Molariteleri doğrudan toplamak ya da ortalamak yanlıştır.
Çökelme tepkimeleri
İki çözünür tuz karıştırıldığında, bir katyon ile diğerinin anyonu suda çözünmeyen bir bileşik oluşturabilir. Bu katı çökelek (precipitate) olarak dibe çöker. Bu tepkimeye çökelme tepkimesi (precipitation reaction) denir.
Hangi bileşiğin çöktüğünü çözünürlük kurallarıyla (solubility rules) tahmin edersin:
| Genelde çözünür | İstisnalar (çöker) |
|---|---|
| tuzları | yok |
| nitratlar , asetatlar , perkloratlar | yok |
| klorür, bromür, iyodür | ile |
| sülfatlar | (Ca²⁺ az çözünür) |
| Genelde çözünmez | İstisnalar (çözünür) |
|---|---|
| karbonat , fosfat | grup 1 ve ile |
| sülfür | grup 1, grup 2, ile |
| hidroksit | grup 1, ; kısmen |
Üç tür denklem
ile NaCl karışımını üç şekilde yazabilirsin:
Moleküler denklem (molecular equation), bütün maddeler formül olarak:
Tam iyonik denklem (complete ionic equation): güçlü elektrolitler (aq) iyonlarına ayrılır, katılar, gazlar, su ve zayıf elektrolitler molekül olarak kalır:
Net iyonik denklem (net ionic equation): iki tarafta aynen duran seyirci iyonlar (spectator ions) atılır:
Net iyonik denklem, hangi tuzdan gelirse gelsin ile ‘nin buluştuğu her durumu anlatır. Net iyonik denklem de hem atom hem yük bakımından denk olmalı.
TUZAK · katıyı iyonlarına ayırmak. (s) işaretli ürün çökelektir; tam iyonik denklemde onu diye yazamazsın. Sadece suda çözünmüş güçlü elektrolitler ayrılır.
Çökelme stoikiometrisi ve gravimetrik analiz
Çökelek kütlesini hesaplamak, 2. haftanın çözelti stoikiometrisinin aynısı: → mol → net iyonik denklem oranı → gram. İki çözelti karışıyorsa sınırlayıcı iyonu bul.
Örnek 3. 25.0 mL 0.120 M fazla ile karıştırılıyor. Net iyonik: .
mol Ba2+ = 0.0250 L × 0.120 M = 3.00×10^-3 mol
mol BaSO4 = 3.00×10^-3 mol (1:1)
m(BaSO4) = 3.00×10^-3 × 233.38 = 0.700 g
Gravimetrik analiz (gravimetric analysis) bunun tersidir: bilinmeyen bir numunedeki iyon tamamen çöktürülür, çökelek kurutulup tartılır, kütleden geriye gidilerek numunedeki yüzde bulunur. Çökelekteki elementin kütle kesrini kullanırsın; örneğin AgCl’nin kütlece ‘ü Cl’dir.
Örnek 4 (iki çözelti, sınırlayıcı iyon ve kalan derişimler). 30.0 mL 0.150 M ile 20.0 mL 0.100 M karıştırılıyor.
Önce hangi bileşiğin çöktüğünü bul. Olası yeni çiftler: (fosfat, Ag ile çözünmez, çöker) ve (çözünür). Net iyonik:
mol Ag+ = 0.0300 × 0.150 = 4.50×10^-3 ÷ 3 = 1.50×10^-3 ← küçük: Ag+ sınırlayıcı
mol PO4 = 0.0200 × 0.100 = 2.00×10^-3 ÷ 1 = 2.00×10^-3
Ag3PO4 = 4.50×10^-3 / 3 = 1.50×10^-3 mol × 418.58 g/mol = 0.628 g
kalan PO4 = 2.00×10^-3 − 1.50×10^-3 = 5.0×10^-4 mol
toplam V = 0.0500 L
[PO4 3−] = 0.0100 M [Na+] = 6.00×10^-3 / 0.0500 = 0.120 M [NO3−] = 0.0900 M [Ag+] ≈ 0
Seyirci iyonların molü değişmez ama hacim büyüdüğü için derişimleri düşer. Bu, karışım sorularında en çok unutulan adım.
Hangi bileşik çöker? Sınav için kısa yol
- Karıştırılan iki tuzu iyonlarına ayır.
- Katyonları “çapraz” eşleştir (A’nın katyonu ile B’nin anyonu ve tersi).
- Her yeni çifti çözünürlük tablosunda kontrol et.
- Hiçbiri çökmüyorsa “no reaction” yaz; sadece iyonlar karışmıştır.
Örneğin KCl ile karıştırınca olası çiftler ve NaCl; ikisi de çözünür, tepkime yoktur.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Teorik verimi artan reaktiften hesapla | Sınırlayıcıdan |
| Hedef ürün için reaktif: hedef × verim | Hedef ÷ verim, sonra stoikiometri |
| Çok adımlı verim = ortalama | Adım verimlerinin çarpımı |
| 0.10 M ‘de = 0.10 M | 0.20 M, indisle çarp |
| Karışımda molariteleri topla | Molleri topla, toplam hacme böl |
| Asetik asit güçlü elektrolittir | Zayıf asit, zayıf elektrolit |
| Çökeleği tam iyonik denklemde iyonlara ayır | (s), (l), (g) ve zayıf elektrolitler molekül kalır |
| Net iyonik denklemde sadece atomları denkleştir | Yük de iki tarafta eşit olmalı |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Which of the following is a strong electrolyte when dissolved in water?
- C6H12O6 (glucose)
- CH3COOH (acetic acid)
- KNO3
- C2H5OH (ethanol)
Cevabı göster
Suda çözünen iyonik bileşikler tamamen iyonlaşır: . Glukoz ve etanol molekül halinde kalır (nonelectrolyte). Asetik asit zayıf asittir, az iyonlaşır (weak electrolyte).
According to the solubility rules, which compound is insoluble in water?
- NaNO3
- (NH4)2SO4
- AgBr
- K2CO3
Cevabı göster
Na⁺, K⁺, NH₄⁺ tuzları ve nitratlar her zaman çözünür. Halojenürler (Cl⁻, Br⁻, I⁻) genelde çözünür, ama , , ile çöker. AgBr çöker.
What is the net ionic equation for the reaction of aqueous with aqueous KI?
- Pb2+(aq) + 2I−(aq) → PbI2(s)
- K+(aq) + NO3−(aq) → KNO3(s)
- Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) → PbI2(s) + 2KNO3(aq)
- Pb2+(aq) + I2(aq) → PbI2(s)
Cevabı göster
Tam iyonik denklemde ve iki tarafta aynen durur (seyirci iyon). Onları atınca kalan: . Üçüncü seçenek moleküler denklemdir, net iyonik değil.
What is the nitrate ion concentration in a 0.150 M solution?
Cevabı göster
. Her formül birimi iki nitrat verir: M.
100.0 mL of 0.200 M NaCl is mixed with 50.0 mL of 0.100 M . What is in the mixture (no reaction occurs)?
Cevabı göster
NaCl'den mol Cl⁻. 'den mol Cl⁻. Toplam 0.0300 mol, toplam hacim 0.1500 L. M. Molariteleri doğrudan toplama.
Heating calcium carbonate gives . What is the theoretical yield of CaO from 50.0 g of ?
Cevabı göster
mol → 0.4996 mol CaO (1:1). g.
In the previous reaction, 25.3 g of CaO is actually collected. What is the percent yield?
- 50.6%
- 90.3%
- 110.7%
- 25.3%
Cevabı göster
.
For with a 65.0% yield, what mass of is needed to obtain 10.0 g of (H₂ in excess)?
Cevabı göster
Önce teorik verimi bul: g teorik olarak oluşmalı. mol → mol → g.
Yüzdeyle çarpmak (bölmek yerine) daha az reaktif bulur, bu yanlış: verim düşükse daha fazla reaktif gerekir.
A two-step synthesis has a 80.0% yield in step 1 and a 75.0% yield in step 2. What is the overall percent yield?
Cevabı göster
Ardışık adımlarda verimler çarpılır: , yani 60.0%. Ortalama almak (77.5%) yanlış.
50.0 mL of 0.200 M is mixed with 40.0 mL of 0.300 M . What mass of precipitates?
Cevabı göster
Net iyonik: , 1:1.: mol. : mol.
Karbonat sınırlayıcı: 0.0100 mol × 100.086 g/mol = 1.00 g.
A 0.5000 g sample of a soluble chloride is dissolved and treated with excess AgNO₃, giving 0.6125 g of dry AgCl. What is the mass percent of Cl in the sample?
Cevabı göster
mol AgCl = mol Cl. g..
Which ions are spectator ions when aqueous AgNO₃ and NaCl are mixed?
- Ag+ and Cl−
- Na+ and NO3−
- Ag+ and NO3−
- Na+ and Cl−
Cevabı göster
Çöken AgCl'dir; ve tepkimeye girer. ve çözeltide değişmeden kalır: seyirci iyonlar.
Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/03.mjs); molar kütleler IUPAC standart atom kütlelerinden.