Kimia kuantitatif

• Atom tidak hilang atau tercipta: persamaan setara adalah buku catatan massa, dan hukum kekekalan massa menutup setiap akun.
• Mol mengubah gram menjadi jumlah partikel; mol mengubah persamaan menjadi aritmatika massa bereaksi.
• Yield, ekonomi atom, konsentrasi mol, dan volume gas (hanya kimia, dengan persyaratan HT tertentu) melengkapi alat ukur kuantitatif.

Kekekalan massa: tidak ada atom yang hilang atau terbentuk, sehingga massa produk sama dengan massa reaktan. Persamaan simbol seimbang dalam jumlah atom; pahami perbedaan antara koefisien di depan rumus (jumlah satuan) dan subskrip di dalamnya (jumlah atom dalam satuan).

Massa formula relatif (Mr) = jumlah massa atom relatif dari angka-angka yang ditampilkan. Dalam persamaan seimbang, kalikan setiap massa formula relatif dengan koefisien persamaannya sebelum menjumlahkan: total untuk reaktan dan produk adalah sama. Persentase massa unsur = (Ar × jumlah atom ÷ Mr) × 100 %.

Perubahan massa dengan gas: logam + oksigen → oksida menambah massa; dekomposisi termal dari karbonat kehilangan CO₂ yang lepas — tidak ada hukum yang dilanggar jika gas tersebut diperhitungkan.

Ketidakpastian: setiap pengukuran memiliki ketidakpastian; gunakan rentang dari pengukuran berulang di sekitar rata-rata untuk memperkirakan penyebaran. Laporan rata-rata ± setengah rentang adalah konvensi kelas yang ditetapkan, bukan aturan yang otomatis mencakup setiap sumber kesalahan pengukuran.

Hitung jumlah atom sebelum membandingkan massa

Untuk $2\mathrm{Mg}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{MgO}$, sisi kiri berisi dua atom Mg dan dua atom O; sisi kanan juga demikian. Dengan Mg = 24 dan O = 16, total massa relatif adalah $2(24)+32=80$ di kiri dan $2(40)=80$ di kanan. Perhitungan tak terbobot $24+32=40$ adalah salah. Mengubah koefisien mengubah jumlah satuan rumus yang bereaksi; mengubah angka bawah mengubah zatnya.

Contoh perhitungan rumus. Untuk (NH₄)₂SO₄, hitung N₂H₈SO₄: $M_r=2(14)+8(1)+32+4(16)=132$. Fraksi massa sulfur adalah $32/132$, sehingga persentase massanya adalah $32/132\times100=24.2\%$. Gunakan massa unsur yang dipilih di seluruh formula, termasuk pengali kurung. Persentase untuk semua unsur bertambah menjadi sekitar 100%, memperhitungkan pembulatan.

Akuntansi gas terpecahkan. Memanaskan 10.0 g CaCO₃ menghasilkan 5.6 g CaO sementara 4.4 g CO₂ terlepas. Timbangan di bawah wadah terbuka turun sebesar 4.4 g; reaksi penuh tetap menyederhanakan $5.6+4.4=10.0$ g. Selama oksidasi, oksigen masuk dari luar sampel logam yang ditimbang, sehingga padatan dapat menambah massa. Jelaskan partikel mana yang melintasi batas sistem. Jangan pernah menutup reaksi penghasil gas yang dipanaskan untuk membuat demonstrasi massa di kelas: gunakan alat yang disetujui dan hitung gasnya.

Laporan ketidakpastian terarah. Jisim berulang ialah 2.40, 2.42 dan 2.44 g. Purata $=(2.40+2.42+2.44)/3=2.42$ g; julat $=2.44-2.40=0.04$ g. Di bawah konvensi separuh-julat yang dinyatakan, laporkan $2.42\pm0.02$ g. Plot bacaan individu pada garis nombor untuk menunjukkan taburannya. Kumpulan rapat tidak membuktikan penimbang telah dikalibrasi dengan betul. Kekalkan bacaan tidak biasa kecuali terdapat sebab yang dibuktikan untuk mengecualikannya; laporkan sebarang pengecualian dan sebabnya.

Mol: massa satu mol zat dalam gram secara numerik sama dengan Mr-nya. Satu mol mengandung konstanta Avogadro partikel — 6.02 × 10²³ — jumlah partikel yang sama dari jenis yang dinyatakan (atom, molekul, ion) seperti satu mol zat lain mana pun.

Gunakan persamaan dan satuannya secara langsung. $n=m/M$; penyusunan ulang menghasilkan $m=nM$ dan $M=m/n$, di mana massa molar $M$ memiliki satuan g/mol dan sama nilainya dengan massa formula relatif. Massa formula relatif itu sendiri tidak memiliki satuan.

Persamaan sebagai rasio mol: Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂ dibaca "1 mol Mg bereaksi dengan 2 mol HCl → 1 mol MgCl₂ + 1 mol H₂". Diberikan satu massa apa pun, hitung semua yang lain: massa → mol → rasio → mol → massa.

Penyetaraan dari massa: konversikan setiap massa ke mol, bagi dengan nilai terkecil, hilangkan pecahan menjadi bilangan bulat.

Reaktan pembatas: reaktan yang habis sepenuhnya membatasi produk; kelebihan reaktan lainnya memastikan reaksi selesai. Hitung produk hanya dari mol reaktan pembatas.

Konsentrasi: dalam g/dm³ untuk semua tingkatan — massa larut dalam volume tertentu; (HT) juga mol/dm³: mol = konsentrasi × volume(dm³), disusun ulang sesuai kebutuhan.

Pilih partikel dan rasio persamaan

Konversi mol contoh (HT). Untuk 8.0 g NaOH, $M=23+16+1=40$ g/mol, sehingga $n=8.0\text{ g}/(40\text{ g/mol})=0.20$ mol. Jumlah satuan rumus $=0.20\times6.02\times10^{23}=1.20\times10^{23}$. Setiap satuan rumus mengandung satu O dan satu H, sehingga mengandung dua kali lebih banyak atom O+H daripada jumlah satuan rumus. Selalu sebutkan apa yang dihitung: satu mol molekul O₂ mengandung dua mol atom oksigen. Konstanta Avogadro berlaku untuk ion dan elektron yang disebutkan serta atom dan molekul.

Massa bereaksi contoh (HT). Temukan CO₂ dari dekomposisi lengkap 10.0 g CaCO₃. $M(\mathrm{CaCO_3})=100$ g/mol, sehingga $n=10.0/100=0.100$ mol. Persamaan CaCO₃ → CaO + CO₂ memiliki rasio 1:1, menghasilkan 0.100 mol CO₂. Massa molarnya adalah 44 g/mol, sehingga $m=0.100\times44=4.40$ g. Balik alur jika massa produk disediakan: massa produk → mol produk → mol reaktan → massa reaktan. Rasio massa umumnya tidak sama dengan rasio mol.

Penyetaraan dari massa contoh (HT). Misalkan 4.8 g Mg bergabung dengan 3.2 g O₂ membentuk 8.0 g MgO. Jumlahnya adalah $4.8/24=0.20$ mol Mg, $3.2/32=0.10$ mol O₂ dan $8.0/40=0.20$ mol MgO. Bagi semua dengan 0.10 untuk mendapatkan rasio 2:1:2. Tulis 2Mg + O₂ → 2MgO dan verifikasi atom serta massa. Gunakan rumus reaktan oksigen sebenarnya, O₂; membagi massanya dengan 16 akan menghitung atom oksigen alih-alih molekul oksigen.

Reaktan pembatas terarah (HT). Campurkan 4.8 g Mg dengan 6.4 g O₂. Kuantiti ialah 0.20 mol Mg dan 0.20 mol O₂. Bandingkan kuantiti dibahagikan pekali: Mg $0.20/2=0.10$; O₂ $0.20/1=0.20$. Magnesium habis lebih dahulu. Ia menghasilkan 0.20 mol MgO, jisim $=0.20\times40=8.0$ g. Oksigen digunakan $=0.20/2=0.10$ mol, meninggalkan 0.10 mol = 3.2 g. Semak jisim keseluruhan: $4.8+6.4=8.0+3.2=11.2$ g. Lebih banyak oksigen tidak dapat meningkatkan hasil apabila magnesium telah habis. Jumlah stoikiometri tepat boleh menghabiskan kedua-dua reaktan bersama; jangan paksa label pembatas tunggal dalam kes itu.

Keanjalan jisim terarah (kedua-dua tahap). Larutan 250 cm³ mengandungi 3.5 g zat terlarut. Tukar isipadu: $250/1000=0.250$ dm³. Keanjalan $=3.5/0.250=14$ g/dm³. Sebahagian 100 cm³ mengandungi $m=cV=14\times0.100=1.4$ g zat terlarut. Isipadu bermaksud isipadu larutan akhir, bukan secara automatiknya isipadu air yang ditambah. Pada jisim zat terlarut tetap, penggandaan isipadu mengurangkan keanjalan separuh; pada isipadu tetap, penggandaan jisim zat terlarut menggandakan keanjalan (penjelasan HT).

Hasil persen di bawah 100 % karena: reaksi reversibel; produk hilang saat pemisahan; reaktan bereaksi dengan cara yang tidak diinginkan.

Ekonomi atom mengukur berapa banyak bahan awal berakhir di dalam produk berguna — ekonomi atom yang tinggi penting untuk keberlanjutan dan biaya:

(HT) hitung massa teoritis dari persamaan seimbang, kemudian hasil panennya.

Pisahkan hasil aktual dari efisiensi persamaan

Hasil contoh. Jika massa produk teoritis adalah 8.0 g dan produk kering yang dipulihkan adalah 6.0 g, hasil $=6.0/8.0\times100=75\%$. Hasil di atas 100% menunjukkan bahan yang ditimbang basah, terkontaminasi, atau dipengaruhi kesalahan pengukuran/perhitungan; ini tidak menunjukkan adanya penciptaan atom tambahan. Ketika massa teoritis tidak disediakan, hitung terlebih dahulu dari persamaan setara dan jumlah pembatas (HT), lalu bandingkan massa aktual dan teoritis produk yang sama.

Ekonomi atom terarah. Untuk CaCO₃ → CaO + CO₂ dengan CaO sebagai produk diingini, ekonomi atom $=56/100\times100=56\%$. Jika CO₂ sebaliknya sebagai produk diingini, ia akan menjadi 44%. Untuk 2H₂ + O₂ → 2H₂O, jisim relatif produk diingini ialah $2\times18=36$, dan jisim relatif keseluruhan reaktan $=2\times2+32=36$, jadi ekonomi atom ialah 100%. Hitung setiap pekali; menggunakan hanya satu H₂O akan memberikan nilai 50% yang salah. Nilai ini berasal daripada persamaan, manakala hasil sebenar datang daripada eksperimen. Tindak balas ekonomi atom 100% masih boleh memberikan hasil terpencil yang rendah.

Pilih jalur (HT). Jalur fiksi A memiliki ekonomi atom 90% tetapi hasil 40% dan memerlukan pemanasan berkepanjangan. Jalur B memiliki ekonomi atom 75%, hasil 95% dan produk sampingan yang bisa dijual. Penilaian membutuhkan lebih dari memilih persentase pertama terbesar: bandingkan output berguna, energi, kecepatan, kesetimbangan/reversibilitas, penanganan limbah, dan permintaan produk sampingan di bawah kondisi yang diberikan. Nyatakan trade-off dan bukti yang hilang, alih-alih menyatakan satu angka membuktikan keberlanjutan.

Konsentrasi dalam mol/dm³ menghubungkan mol, massa, dan volume: mol = C × V; dari titrasi, mengetahui volume kedua larutan dan salah satu konsentrasi memberikan konsentrasi lainnya — gunakan persamaan setara untuk menghubungkan jumlah asam dan basa. Volume yang sama tidak berarti jumlah yang sama, dan mol asam sama dengan mol basa hanya untuk rasio persamaan 1:1.

Konsentrasi adalah jumlah per volume larutan akhir

Gunakan $n=cV$ dengan $V$ dalam dm³ untuk $c$ dalam mol/dm³. Mengatur ulang menghasilkan $c=n/V$ atau $V=n/c$. Larutan pada 0.20 mol/dm³ mengandung 0.20 mol per dm³; tidak mengandung 0.20 mol di setiap gelas kimia tanpa memandang volume. Untuk mengkonversi konsentrasi molar ke konsentrasi massa, kalikan dengan massa molar: 0.20 mol/dm³ NaOH × 40 g/mol = 8.0 g/dm³.

Titrasi non-1:1 contoh. H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Sampel asam 25.0 cm³ bereaksi sempurna dengan 20.0 cm³ NaOH 0.100 mol/dm³. Jumlah alkali $=0.100\times0.0200=0.00200$ mol. Jumlah asam $=0.00200/2=0.00100$ mol. Konsentrasi asam $=0.00100/0.0250=0.0400$ mol/dm³. Volume keduanya diketahui, tetapi persamaan menentukan rasio mol. Periksa dengan mengalikan jumlah asam dengan dua untuk mengembalikan jumlah alkali yang diperlukan. Peralatan dan metode titrasi dikembangkan dalam Perubahan kimia; contoh ini menafsirkan data reaksi selesai.

Volume gas tertentu mengandung jumlah mol yang sama pada suhu dan tekanan yang sama — volume sama = mol sama. Volume gas yang bereaksi (dan produknya) mengikuti rasio persamaan secara langsung, mis. 2 volume hidrogen bereaksi dengan 1 volume oksigen.

Gunakan suhu, tekanan, dan satuan gas yang sesuai

Pada suhu dan tekanan ruang (20 °C dan satu atmosfer), satu mol gas menempati 24 dm³ dalam perkiraan spesifikasi ini. Oleh karena itu $V=n\times24$ dm³ dan $n=V/24$ ketika V dalam dm³. Konversikan cm³ ke dm³ terlebih dahulu. Nilai ini tidak berlaku secara langsung pada suhu atau tekanan apa pun, dan rasio volume berlaku untuk gas yang diukur di bawah kondisi yang sama.

Massa ke volume gas worked. Untuk 4.4 g CO₂ pada kondisi ruang, $n=4.4/44=0.100$ mol, sehingga $V=0.100\times24=2.40$ dm³ = 2400 cm³. Kebalikannya adalah $m=(V/24)M$ dengan satuan volume yang konsisten.

Reaksi gas worked. N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Pada suhu dan tekanan yang identik, 60 cm³ N₂ memerlukan 180 cm³ H₂ dan dapat membentuk 120 cm³ NH₃ jika reaksi lengkap. Dengan hanya 150 cm³ H₂, hidrogen membatasi hasil: N₂ digunakan $=150/3=50$ cm³, NH₃ terbentuk $=150\times2/3=100$ cm³ dan N₂ tersisa $=60-50=10$ cm³. Reaksi reversibel nyata mungkin tidak mencapai konversi teoritis tersebut. Jangan menetapkan rasio volume gas ke produk padat atau cair terkondensasi semata-mata karena memiliki koefisien dalam persamaan.

• Seimbangkan atom dan massa tertimbang; jelaskan perubahan massa gas dan ketidakpastian pengukuran.
• Terapkan perhitungan mol, hasil, ekonomi atom, konsentrasi, dan gas tingkat yang relevan dengan satuan dan kondisinya.