Despre randament

Noţiunea de randament pare a fi percepută ca un bau-bau în cadrul problemelor de calcul stoechiometric. Cauza pare a fi o anume deficienţă în înţelegerea textului. Chiar dacă se cunoaşte relaţia care exprimă la modul general randamentul, elevii sunt de-a dreptul bulversanţi în modul de identificare a cantităţilor practice sau teoretice.

O formulare de genul: "Să se calculeze cantitatea de substanţă obţinută în urma reacţiei, dacă randamentul este x%.", indică faptul că se solicită determinarea cantităţii practice, prin aplicarea randamentului la cantitatea teoretică, adică cea calculată pe reacţie.

Exemplu: 3,36 l (c.n.) dintr-o alchenă gazoasă adiţionează Brom. Calculaţi cantitatea de produs de reacţie, exprimată în moli, dacă randamentul reacţiei de adiţie este 60%.

Rezolvare:

Conform ecuaţiei reacţiei chimice se determină numărul de moli care ar rezulta teoretic din reacţie (la un randament de 100%).

n_t=1*3,36/22,4=0,15 moli produs de reacţie

aplicând randamentul, obţinem cantitatea practică:

n_p=n_t*60/100=0,09 moli.

 Cu totul altfel stau lucrurile atunci cănd din datele problemei se cunoaşte cantitatea de substanţă obţinută, precum şi randamentul. De cele mai multe ori, în asemenea cazuri se solicită să se calculeze cantităţi (mase, moli sau volume) ale reactanţilor.

Recomandat este ca pe ecuaţia reacţiei chimice, pentru calcul stoechiometric să se lucreze cu cantităţile teoretice, cantitatea de substanţă obţinută  va fi de fapt cantitatea practică din expresia matematică a randamentului. Nu trebuie decât calculată cantitatea teoretică de substanţă, aceasta fiind utilizată în continuare la calcului stoechiometric.

Pas cu pas

Pe parcursul lecţiilor de chimie, elevii acumulează treptat cunoştinţele necesare rezolvării problemelor complexe. Mai jos este prezentată o astfel de problemă care se pretează la o astfel de abordare secvenţială.


Despre hidrocarbura A se cunosc următoarele date:

• Conţine 87,8%C
• Adiţia halogenilor decurge în raport molar A:X₂ = 1:1
• 4,1 grame A adiţionează 8 grame de Brom.
• Catena nu prezintă ramificaţii

Determinaţi formula moleculară şi de structură a hidrocarburii A


Rezolvare:
În primul rând din textul problemei observăm ca este vorba despre o hidrocarbură adică o substanţă în compoziţia căreia regăsim C şi H.

Se cunoaşte conţinutul procentual de Carbon, deci, prin scădere din 100 se află conţnutul în Hidrogen. (%H=12,2%).Aplicând algoritmul clasic de determinare a formulei brute obţinem (C₃H₅)_{n
Având în vedere faptul că adiţia halogenilor decurge în raport molar de 1:1 putem trage concluzia că hidrocarbura A conţine o singură legătură dublă între 2 atomi de Carbon.}
4,1 grame hidrocarbură A adiţionează 8 grame de Brom.

 

Din reacţia de mai sus se determină masa moleculară M_A=82 g/mol, astfel că, din formula brută se obţine formula moleculară C₆H₁₀. Nesaturarea echivalentă fiind NE=2, coroborat cu faptul că există doar o singură legătură dublă iar catena nu prezintă ramificaţii, structura hidrocarburii este:

ciclohexena.

După cum se poate observa, rezolvarea acestei probleme ne conduce prin ouă capitole ale chimiei organice: cel legat de structura substanţelor organice precum şi capitolul despre hidrocarburile nesaturate.

Amestec şi procente

În afara problemelor în care arderea hidrocarburilor este utilizată ca metodă cantitativă de determinate a formulelor moleculare, exista o seamă de probleme în care se foloseşte arderea amestecurilor de hidrocarburi, cunoscute de aceasta dată, cea mai frecventă cerinţă fiind determinarea compoziţiei amestecului, în procente de masă sau moli. Un exemplu în acest sens îl constituie problema de mai jos.
Un amestec de propenă şi etenă cu volumul de 6,72 cm³ este supus combustiei, obţinându-se 15,68 cm³ de CO₂ măsurat în condiţii normale. Determinaţi compoziţia în procente de moli a amestecului de hidrocarburi supus combustiei.


Deoarece cerinţa problemei este aceea de a calcula compoziţia în procente de moli a amestecului iniţial, recomand transformarea cantităţilor volumetrice în moli. Astfel, amestecul iniţial de hidrocarburi (6,72 cm³), transformat în moli va fi de 0,3 mmoli. Analog, pentru CO₂ rezultat vom obţine 0,7 mmoli.


Scriem ecuaţiile reacţiilor chimice de argere pentru fiecare hidrocarbură în parte şi notăm:
- n₁ numărul de moli de propenă
- n₂ numărul de moli de etenă
- a numărul de moli de CO2 obţinuţi din arderea propenei
- b numărul de moli de CO2 obţinuţi din arderea etenei

Cunoaştem că n₁+n₂=0,3 şi a+b=0,7
De pe ecuaţiile reacţiilor se determina a=3n₁ şi b=2n₂.
Rezolvând sistemul astfel obţinut, se detrmină n₁=0,1 mmoli C₃H₆ şi n₂=0,2 mmoli C₂H₄, iar compoziţia în procente de moli va fi 33,33% C3H6 respectiv 66,67%c2H4.


De reţinut faptul că în cazul amestecurilor de gaze, compoziţia în procente de moli este egală cu compoziţia în procente de volum.

Denumiri, denumiri...

Nu cred că există profesor de chimie care să nu fi întâlnit cel puţin un elev care, pus în faţa unei formule chimice, să nu reuşească să-i dea denumirea corectă. Explicaţiile elevilor erau din cele mai diverse, dar toate convergeau spre aceeaşi concluzie: "E grea chimia asta...". O singură explicaţie mi-a rămas în minte prin originalitatea ei; privind la structura pe care o voi exemplifica la mai jos, elevul şi-a întors privirile spre mine şi a spus cu toata candoarea celor 16 ani: "Presupun că se pronunţă altfel decât este scris...". Ca să scurtez povestea, voi prezenta în cele ce urmează structura unui alcan, urmând să exemplific şi denumirea acestuia.

 Alcanul din figura alăturată este de fapt un izomer al decanului(C₁₀H₂₂). Există reguli stabilite de catre IUPAC (International Union for Pure and Aplied Chemistry) care statutează modul în care se denumesc substanţele chimice, din diverse clase de substanţe. Pentru exemplul nostru, se procedeaza astfel:
1. Se identifică şi se numerotează catena cea mai lungă în ambele sensuri:

Se observă că aceasta este alcătuită din 6 atomi de Carbon, deci reţinem denumirea alcanului cu 6 atomi de carbon (HEXAN)
2. Se identifica atomii de Carbon la care se produc ramificaţii:

Aceştia sunt atomii de Carbon 3 şi 4.
3. Se identifică radicalii alchil de la atomii de carbon identificaţi mai sus.

Se observă că avem un radical etil şi doi radicali metil (doi radicali metil = dimetil)
Realizăm denumirea punând cap la cap informaţiile colectate la cei tri paşi anteriori:

• Pentru sensul numerotat cu albastru (de la stânga la dreapta): 4-etil-3,4-dimetil-hexan
• Pentru sensul numerotat cu roşu (de la dreapta la stânga): 3-etil-3,4-dimetil-hexan

Deoarece avem 2 denumiri diferite pentru aceeaşi substanţă, se alege ca şi denumire corectă cea în care suma cifrelor care apar este minimă: pentrul sensul de la stânga la dreapta suma este 11, air pentru sensul invers suma este 10. În concluzie, denumirea corectă este:

3-etil-3,4-dimetil-hexan

Rămâne la latitudinea cititorului să stabilească dacă răspunsul elevului a fost sau nu perinent ("Presupun că se pronunţă altfel decât este scris...")

Evadare din tipar

Aplicarea riguroasă a algoritmilor de rezolvare a problemelor de chimie este de cele mai multe ori calea spre rezultatul corect. Această metodă, pe lângă avantajele incontestabile pe care le aduce, poate să limiteze uneori capacitatea de analiză şi interpretare a datelor problemei. Există probleme care par a se încadra perfect într-un şablon până la un punct de impas. De aceea este recomandat să se analizeze cu atenţie contextul şi să se adopte o strategie adecvată în abordarea problemei.
Exemplu:
Un alcan A conţine 16,28% H. Determinaţi formula moleculară a alcanului.


La prima vedere, problema se încadrează în algoritmul de rezolvare a problemelor de compoziţie a substanţelor organice. Se ştie că alcanii sunt hidrocarburi, de unde se determină %C=100-16,28=83,72%. Iar de aici, prin aplicarea algoritmului clasic ajungem la (C₃H₇)_n. Ajunşi în acest punct constatăm că ne lipseşte masa moleculară pentru a determina valoarea "n", esenţială în aflarea formulei moleculare. Desigur, se poate aplica metoda încercărilor, prin acordarea de valori lui n (n=1,2,3,...) şi verificarea încadrării formulelor moleculare obţinute în formula generală a alcanilor.


O altă abordare, mai eficientă ar fi exprimarea conform limbii române a noţiunii de "procent".
Astfel, pornim de la formula moleculară generală a alcanilor (C_nH_2n+2) şi exprimăm în funcţie de aceasta masa moleculară M=12n+2n+2. Contribuţia Hidrogenului la masa moleculară este de 2n+2.
16,28% se traduce: În 100 grame A exista 16,28 grame H
Aplicând regula de trei simplă vom avea:
100 g A...................16,28 g H
14n+2 g A...............2n+2 g H


De unde rezultă n=6, iar formula moleculară a alcanului A este C₆H₁₄.

Puţină ardere

O proprietate comună a hidrocarburilor este arderea. Absolut toate hidrocarburile, indiferent de seria din care fac parte ard în aer (sau oxigen) şi se transformă în dioxid de carbon şi apă. Această proprietate stă la baza diverselor formulări ale problemelor de chimie organică, întâlnite în special la amestecurile de hidrocarburi.


Problemă:
Un amestec de propan şi butan, ocupând un volum egal cu 10 ml, este supus arderii în exces de oxigen. După condensarea apei, de gazele rămase sunt trecute printr-o soluţie de KOH, volumul acestora reducându-se cu 36 ml. Determinaţi compoziţia în procente de volum a amestecului iniţial de hidrocarburi. (Volumele de gaze sunt măsurate în condiţii normale de temperatură şi presiune.)


Rezolvare


Ecuaţiile reacţiilor chimice:

KOH va reţine din amestecul de gaze rezultat după condensarea apei doar dioxidul de carbon, iar reducerea de volum de 36 ml este chiar volumul de dioxid de carbon rezultat din ardere.
V₁ = volumul de propan
V₂ = volumul de butan
a = volumul de CO₂ rezultat din arderea propanului
b = volumul de CO₂ rezultat din arderea butanului
Conform datelor problemei avem: V₁ + V₂ = 10 ml (1) şi
a+b =36 ml (2)
De pe ecuaţiile reacţiilor se obţine:
V₁ = a/3 şi  V₂ = b/4, adică, înlocuind în relaţia (1) a/3 + b/4 = 10 (3).
Folosindu-ne de relaţia (2) vom obţine a = 12ml şi b = 24ml.
De aici, V₁ = 4ml si V₂ = 6 ml, iar
%C₃H₈ = 40%
%C₄H₁₀ = 60%

Iosif Schichetanz, Florin Badea - Chimie Organică prin probleme

Rezolvare sistematică sau ... "speculativă"???

În cadrul rezolvărilor de probleme, de multe ori elevii sunt tentaţi să se abată de la "firul roşu" al modului de lucru şi să facă diverse asocieri între datele problemei şi rezultatele parţiale. Chiar dacă aceste mici speculaţii conduc la obţinerea unui rezultat final corect într-un timp oarecum mai scurt, la evaluare pot apărea surprize, deoarece nu există un fundament solid al argumentării.
Un exemplu în acest sens îl constituie problema de mai jos.
Problemă:


O hidrocarbură A având densitatea în raport cu azotul d_N2=2 se transformă într-o substanţă B, cu acelaşi număr de atomi de Carbon şi care conţine 21,62% Oxigen. Ştiind că substanţa B are NE=0 şi că în molecula ei există un singur atom de Oxigen, determinaţi care sunt formulele moleculare ale substanţelor A si B.


Rezolvarea sistematică:
Pentru hidrocarbura A:
d_N2=2 => M_A=d_N2*M_N2 = 2*28 = 56. (1)
Formula moleculară generală: C_aH_b, iar masa moleculară se poate calcula ca fiind M_A=12*a+b (2)


Pentru substanţa B:
C_aH_b'O
NE=0 => 2*a+2-b'=0 adică b'=2*a+2, formula moleculară devenind C_aH_2*a+2O (3)
M_B=12*a+2*a+2+16=14*a+18.


Ştiind că în 100 g B exista 21,62 g O, putem scrie astfel:
M_B ................................. 16 g O
100 g B ......................... 21,62 g O
--------------------------------------------
M_B=74 g/mol adică 14*a+18=74 de unde rezultă formula moleculară pentru substanţa B: C₄H₁₀O
Cunoscând ca hidrocarbura A conţine acelaşi număr de atomi de Carbon ca şi substanţa B, rezultă că formula moleculară a acesteia se poate scrie C₄H_b.
Din relaţiile (1) şi (2) se poate deduce valoarea lui b=8; deci formula moleculară a hirocarburii A: C₄H₈


Rezolvarea "speculativă"
Se determina masa moleculara a hidrocarburii A (vezi rezolvarea sistematică relaţia (1)).
Aici se poate specula, ştiind că valorile a,b trebuie sa fie numere naturale; din relaţia 12*a+b=56, valorile care satisfac aceasta relaţie si pentru care NE are valori rezonabile si care să reflecte o formulă moleculară reală vor fi a=4 şi b=8, adică formula moleculară va fi C₄H₈.
Cunoscând că substanţa B are acelaşi număr de atomi de Carbon ca şi A, că NE=O şi că în molecula ei există un singur atom de Oxigen (vezi rezolvarea sistematică relaţia (3)), formula moleculară a substanţei B devine C₄H₁₀O.
Acest tip de rezolvare poate fi mai mult sau mai puţin acceptata de către evaluator. Un motiv pentru care evaluatorul poate să respingă o astfel de rezolvare este lipsa unui argument solid în determinarea formulei moleculare a hidrocarburii A, chiar dacă acest rezultat este corect.