قياس العناصر الكيميائية هو فرع من فروع الكيمياء يتعامل مع العلاقات الكمية بين المواد المتفاعلة والمنتجات في التفاعل الكيميائي. تسمح معرفة قياس العناصر الكيميائية للكيميائيين بتحديد كميات المواد المستهلكة والمنتجة في التفاعل، مما يجعلها ضرورية للعمل المختبري والتطبيقات الصناعية.
في الكيمياء الكيميائية، توفر المعادلة الكيميائية وصفة للتفاعل الكيميائي. فهو يوضح المواد المتفاعلة التي تتحد والمنتجات التي تتشكل، بالإضافة إلى كميات كل منها. خذ بعين الاعتبار معادلة احتراق الميثان:
\( \textrm{الفصل}_4 + 2\textrm{يا}_2 \rightarrow \textrm{شركة}_2 + 2\textrm{ح}_2\textrm{يا} \)تخبرنا هذه المعادلة أن جزيءًا واحدًا من الميثان ( \(\textrm{الفصل}_4\) ) يتفاعل مع جزيئين من الأكسجين ( \(2\textrm{يا}_2\) ) لإنتاج جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون ( \(\textrm{شركة}_2\) ) وجزيئين من الماء ( \(2\textrm{ح}_2\textrm{يا}\) ).
المول هو وحدة تستخدم في الكيمياء للتعبير عن كميات المادة الكيميائية. يحتوي المول الواحد بالضبط على \(6.022 \times 10^{23}\) جسيمات من المادة (رقم أفوجادرو). باستخدام مفهوم المول، يمكن للكيميائيين ربط كتلة المواد بعدد الجزيئات أو الشامات المشاركة في التفاعل.
تسمى الأرقام الموجودة أمام الصيغ الكيميائية في المعادلة الكيميائية معاملات العناصر المتكافئة. وهي تشير إلى النسب التي تتحد بها المواد المتفاعلة وتشكل المنتجات. في مثال احتراق الميثان، تكون المعاملات المتكافئة هي 1 للميثان، و2 للأكسجين، و1 لثاني أكسيد الكربون، و2 للماء.
لإجراء حسابات متكافئة، غالبًا ما نحتاج إلى تحويل الشامات إلى جرامات أو العكس. ويمكن القيام بذلك باستخدام الكتلة المولية للمادة، وهي كتلة مول واحد من تلك المادة. الكتلة المولية للمركب هي مجموع الكتل المولية لمكوناته. على سبيل المثال:
لنحسب كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتج عند احتراق \(50.0\, \textrm{ز}\) من الميثان بالكامل في الأكسجين. الكتلة المولية للميثان هي \(16.04\, \textrm{جم / مول}\) ، والكتلة المولية لثاني أكسيد الكربون هي \(44.01\, \textrm{جم / مول}\) .
أولاً، قم بتحويل كتلة الميثان إلى مولات:
\( \textrm{الشامات من CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{ز}}{16.04\, \textrm{جم / مول}} \)باستخدام المعاملات المتكافئة من المعادلة الموزونة، نعلم أن مولًا واحدًا من الميثان ينتج مولًا واحدًا من ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي فإن مولات ثاني أكسيد الكربون الناتجة ستكون مساوية لمولات الميثان المتفاعل.
ثم قم بتحويل مولات ثاني أكسيد الكربون إلى جرام:
\( \textrm{كتلة ثاني أكسيد الكربون}_2 = \textrm{مولات CO}_2 \times \textrm{الكتلة المولية لـ CO}_2 \)في التفاعل الكيميائي، المادة المتفاعلة المحددة هي المادة التي يتم استهلاكها بالكامل أولاً وتحدد الحد الأقصى لكمية المنتج التي يمكن تكوينها. المحصول النظري هو الحد الأقصى لكمية المنتج المتوقعة من التفاعل، بناءً على كمية المادة المتفاعلة.
لتحديد المادة المتفاعلة المحددة، قارن النسبة المولية للمواد المتفاعلة المتاحة مع النسبة المولية التي تتطلبها المعادلة الكيميائية المتوازنة. المادة المتفاعلة التي توفر أقل كمية من المنتج وفقًا للنسبة المتكافئة هي المادة المتفاعلة المحددة. يتضمن حساب المردود النظري استخدام كمية المادة المتفاعلة المحددة وقياس العناصر الكيميائية للتفاعل.
خذ بعين الاعتبار التفاعل بين غاز النيتروجين ( \(\textrm{ن}_2\) ) وغاز الهيدروجين ( \(\textrm{ح}_2\) ) لإنتاج الأمونيا ( \(\textrm{نيو هامبشاير}_3\) ):
\( \textrm{ن}_2 + 3\textrm{ح}_2 \rightarrow 2\textrm{نيو هامبشاير}_3 \)إذا كان لدينا 28 g من \(\textrm{ن}_2\) و 10 g من \(\textrm{ح}_2\) ، وهو المتفاعل المحدد وما هو العائد النظري لـ \(\textrm{نيو هامبشاير}_3\) ؟
الكتلة المولية لـ \(\textrm{ن}_2 = 28.02\, \textrm{جم / مول}\) ؛ الكتلة المولية لـ \(\textrm{ح}_2 = 2.016\, \textrm{جم / مول}\)
تحويل الجرام إلى مول:
\( \textrm{الشامات N}_2 = \frac{28\, \textrm{ز}}{28.02\, \textrm{جم / مول}} \) \( \textrm{الشامات H}_2 = \frac{10\, \textrm{ز}}{2.016\, \textrm{جم / مول}} \)قارن نسبة المول المتاحة لـ \(\textrm{ح}_2\) إلى \(\textrm{ن}_2\) مع نسبة العناصر المتكافئة من المعادلة. تحدد المادة المتفاعلة الحد الأقصى لكمية \(\textrm{نيو هامبشاير}_3\) التي يمكن إنتاجها. قم بتحويل مولات المادة المتفاعلة المحددة إلى مولات \(\textrm{نيو هامبشاير}_3\) باستخدام المعاملات المتكافئة، ثم إلى الجرام إذا لزم الأمر.
لا تقتصر الحسابات المتكافئة على المواد المتفاعلة والمنتجات في شكلها النقي؛ كما أنها تنطبق على الحلول. في المحاليل المائية، غالبًا ما يتم التعبير عن التركيزات بالمولارية، وهي عدد مولات المذاب لكل لتر من المحلول ( \(M = \textrm{مول/لتر}\) .
عند إجراء تفاعلات في محلول، يمكن استخدام حجم المحلول ومولارته للعثور على مولات المادة المتفاعلة أو المنتج المعني. وهذا مفيد بشكل خاص في تجارب المعايرة، حيث يتم استخدام محلول معروف التركيز لتحديد تركيز محلول غير معروف عن طريق المعادلة.
لنفترض أننا بحاجة إلى تحييد 50.0 مل من محلول 1.0 M HCl بمحلول NaOH. رد الفعل هو كما يلي:
\( \textrm{حمض الهيدروكلوريك} + \textrm{هيدروكسيد الصوديوم} \rightarrow \textrm{كلوريد الصوديوم} + \textrm{ح}_2\textrm{يا} \)يخبرنا قياس العناصر الكيميائية للتفاعل أن مولًا واحدًا من حمض الهيدروكلوريك يتفاعل مع مول واحد من NaOH لإنتاج مول واحد من NaCl ومول واحد من الماء. أولا تحديد مولات حمض الهيدروكلوريك:
\( \textrm{مولات حمض الهيدروكلوريك} = \textrm{الحجم (لتر)} \times \textrm{المولارية (م)} \)ثم، باستخدام النسبة المتكافئة، احسب حجم محلول NaOH اللازم للتفاعل تمامًا مع محلول HCl. يوضح هذا المثال تطبيق قياس العناصر الكيميائية في المحاليل، حيث يحدد تركيز وحجم المحاليل كميات المواد المتفاعلة والمنتجات.
قياس العناصر الكيميائية هو مفهوم أساسي في الكيمياء يسمح بالتحليل الكمي للمواد المتفاعلة والمنتجات في التفاعل الكيميائي. من خلال فهم العلاقة بين كميات المواد المختلفة المشاركة في التفاعل، يمكن للكيميائيين التنبؤ بنتائج المنتجات، وتحديد المواد المتفاعلة المحددة، وحساب الكميات اللازمة من المواد للتفاعلات. سواء كنت تتعامل مع التفاعلات في أشكالها النقية أو في المحاليل، توفر الحسابات المتكافئة رؤى قيمة لكل من التجارب المعملية والعمليات الكيميائية الصناعية. المكونات الرئيسية، بما في ذلك مفهوم المول، والمعاملات المتكافئة، والقدرة على التحويل بين المولات والجرام أو تحديد التركيزات في المحاليل، ضرورية لإجراء هذه الحسابات بدقة. من خلال الممارسة والتطبيق، يمكن للمرء إتقان الحسابات المتكافئة وتطبيقها على مجموعة واسعة من المشاكل الكيميائية.
