خطوات الحسابات الكيميائية

الكيمياء هي فرع من العلوم الطبيعية يتعامل أساسًا مع خصائص المواد والتغيرات التي تتعرض لها، والقوانين الطبيعية التي تصف هذه التغيرات. يوجد خطوات أساسية تسهل الحسابات الكيميائية، ويمكن حل معظم مسائل القياس الكمي تقريبًا في أربع خطوات بسيطة فقط

• موازنة المعادلة.
• تحويل وحدات مادة معينة إلى مولات.
• قم بحساب عدد المولات للمادة المتكونة من التفاعل باستخدام نسبة المول.
• يتم تحويل كمية المواد المطلوبة إلى الوحدات المطلوبة.

الخطوة الأولي موازنة المعادلة

سنبدأ في قياس العناصر المتفاعلة من خلال النظر إلى معادلة صدأ الحديد وكيف يحدث ذلك

Fe + O 2 → Fe 2 O 3

لا يتم تدمير أو فقدان الأجزاء المكونة للمعادلة الكيميائية أبدًا: يجب أن يتوافق إنتاج التفاعل بالكامل مع الكواشف الأصلية، وهذه الحقيقة لا تتعلق بنوع العناصر الموجودة في المنتج فحسب، بل أيضًا بعددها، نظرًا لأن معادلتنا غير المتوازنة

Fe + O 2 → Fe 2 O 3       

تنص هذه المعادلة على أن ذرة حديد (Fe) واحدة ستتفاعل مع ذرتين من الأكسجين (O) لتنتج ذرتين من حديد و 3 ذرات أكسجين ، الرقم المنخفض  مثل الاثنين في O 2 يصف عدد ذرات العنصر في الجزيء ، لا يمكن أن يمثل هذا التفاعل غير المتوازن تفاعلًا حقيقيًا لأنه يصف تفاعلًا تصبح فيه ذرة Fe بطريقة سحرية اثنين ذرات.

من الضروري توازن المعادلة عن طريق وضع المعامِلات قبل الجزيئات والذرات المختلفة للتأكد من تطابق عدد الذرات في الجانب الأيسر من السهم مع عدد العناصر في الجانب الأيمن تمامًا.

4Fe + 3O 2 → 2Fe 2 O 3       

في هذه المعادلة المتوازنة الجديدة، نحسب الذرات على الجانب الأيسر من السهم حيث يوجد 4 ذرات من الحديد و 6 ذرات من الأكسجين (3 × 2 = 6)، وعلى الجانب الأيمن يوجد أيضًا 4 ذرات من الحديد (2 × 2 = 4) و 6 ذرات من الأكسجين (2 × 3 = 6) لتكوّن طرفي المعادلة المتوازنة.

عملية موازنة المعادلة تعتمد بشكل أساسي على التجربة والخطأ، وتصبح أسهل مع الممارسة، حيث يمكن أن تبدأ في موازنة المعادلات تلقائيًا في عقلك تقريبًا.

الخطوة الثانية تحويل وحدات معينة من مادة إلى المولات

عملية التحويل تشمل تحويل وحدات معينة إلى مولات باستخدام عوامل تحويل، وفيما يلي سنقدم أكثر العوامل المستخدمة للتحويل شيوعا وأهميتها في التحويل بين المولات والغرامات والحجوم الغازية والجزيئات والمحاليل. تعمل هذه العوامل التحويل بنفس الطريقة التي تم شرحها في القسم السابق. يجب أيضا ملاحظة أن على الرغم من أن هذه العوامل التحويل تركز على التحويل من وحدة أخرى إلى المولات، يمكن أيضا تحويلها بالعكس، مما يتيح لك التحويل من المولات إلى وحدة أخرى.

التحويل من الجرامات إلى مولات

يمكن تعريف كتلة المركب أو العنصر بأنها كتلة مول واحد من المركب. ويتم قياسها بالجرام/مول، وذلك عن طريق جمع الأوزان الذرية لكل ذرة في المركب. تتوافق وحدة الكتلة الذرية (amu) مع كتلة الصيغة الجرام، وبالتالي، فإن مول واحد من ذرة الكربون 12 يزن 12 جراما. يمكن استخدام كتلة الصيغة الجرام كعامل تحويل في الحسابات المتكافئة باستخدام المعادلة التالية

المولات =   grams ÷ gram formula mass

تعرف كتلة صيغة الجرام أيضًا باسم GFM ، قد ترى أيضًا مصطلح الجرام الجزيئي GMM ، غالبًا ما يستخدم هذا المصطلح بدلاً من GFM عندما تكون المادة جزيئية وليست أيونية ، ومع ذلك ، تختلف المصطلحات فقط ، يتم استخدام GMM بنفس الطريقة التي تستخدم بها GFM ، لذلك سنستخدم مصطلح GFM في هذا المثال.

التحويل بين حجم الغاز والمولات

يوفر قانونالغاز المثالي وسيلة سهلة للتحويل بين المولات والغاز، ما دامت تعرف خصائص هذا الغاز المحدد. فقانون الغاز المثالي يأخذ الصيغة PV = nRT، حيث تمثل n عدد المولات، وإذا قمنا بإعادة ترتيب المعادلة لحل n، فستكون الصيغة كالتالي:

n = PV÷RT

باستخدام الضغط P بالـ atm والحجم V باللتر ودرجة الحرارة T بالكلفن، وثابت الغاز R الذي يساوي 0.0821 لتر-اتم/مول-كلفن، يمكن حساب عدد المولات للمادة الغازية.

في تلك الحالات التي يتم فيها تحديد الحسابات عند درجة الحرارة والضغط القياسي STP P = 1 ضغط جوي، T = 273 كلفن ، تصبح المسألة أسهل 

في ظروف STP، يشغل مول الغاز دائمًا حجم 22.4 لتر، وإذا كان لديك حجم غاز معين عند STP، فيمكنك حساب عدد المولات في هذا الغاز عن طريق حساب الحجم الذي تم إعطاؤه لك كجزء من 22.4 لتر في STP. على سبيل المثال، سيكون 0.5 مول لـ 11.2 لتر من الغاز، و4 مولات لـ 89.6 لتر من الغاز.

التحويل بين الجزيئات الفردية والمولات

يوفر العدد الأفوجادرو عامل التحويل بين عدد الجسيمات والمولات. هناك 6.02 × 10^23 وحدة صيغة من الجسيمات في كل مول من المادة. وتصف وحدة الصيغة المادة التي ندرسها، سواء كانت مركبة أو جزيئية أو ذرية أو أيونية. وحدة الصيغة هي أصغر وحدة للمادة التي لا تزال تحتفظ بخصائصها، وهي أبسط طريقة لتمثيل صيغة المادة بدون معاملات. ويتم سرد بعض وحدات الصيغة التمثيلية أدناه.

المركبات: Cu 2 S ، NaCl

الجزيئات: N 2 ، H 2

الذرات: Fe ، Na

الأيونات: Na + (aq) ، Cl – (aq)

يسهل التحويل من وحدات الصيغة إلى المولات بسبب أن 1 مول يساوي 6.02 × 10 أس 23

المولات = وحدة الصيغة ÷ 6.02 × 10^23 

التحويل بين الحلول والمولات

تعرف المولارية على أنها عدد مولات المذاب مقسومة على عدد لترات المذيب، وبإعادة ترتيب المعادلة لحل المولات، ينتج:

المولات = المولارية × لتر من المحلول

يتم تعريف المولارية على أنها عدد المولات المذابة مقسومة على عدد كيلوغرامات المذيب، وبإعادة ترتيب المعادلة لحل المشكلات الحسابية، يمكن الحصول على النتائج المناسبة

المولات = مولارية المحلول × كتلة المحلول بالكيلوغرام

حساب نسبة 

قبل شرح كيفية حساب معدل العائد الناتج عن التفاعل، يجب أولاً تحديد نسبة الخليط

دعونا ننظر مرة أخرى إلى المعادلة:

4Fe + 3O 2 → 2Fe 2 O 3       

نسب التفاعلات أمام الحديد والأكسجين وأكسيد الحديد (III) هي نسب تحكم التفاعل. بمعنى آخر، لا يحدث التفاعل إلا عندما يكون هناك 4 مولات من الحديد و 3 مولات من الأكسجين بالضبط، مما ينتج في 2 مول من أكسيد الحديد (III). هذه الأرقام لا تشير إلى حدوث التفاعل فقط، بل تشير إلى نسبة التفاعل. تشير النسبة إلى أن كمية التفاعل بين الحديد والأكسجين تكون بنسبة 4 إلى 3، وتصف النسبة المولية بدقة ما يوحي به اسمها، وهي النسبة المولية التي يحدث فيها التفاعل. على سبيل المثال، يتفاعل 2 مول من الحديد مع 1.5 مول من الأكسجين لتكوين مول واحد من أكسيد الحديد (III)، وبالمثل، يتفاعل 20 مول من الحديد مع 15 مول من الأكسجين لتكوين 10 مولات من أكسيد الحديد (III). تتبع كل من هذه الأمثلة نسبة 4:3:2 كما هو موصوف بواسطة المعامل.

يتم الآن، باستخدام معادلة متوازنة، تحويل الوحدات المحددة إلى مولات، ومن خلال ذلك يمكن معرفة نسبة التفاعل بين المواد المختلفة والمنتجات التي تتكون عند التفاعل. يمكن حساب ناتج التفاعل في المولات، وتتطلب الخطوة الرابعة القدرة على التحويل من المولات إلى الوحدات المطلوبة في المسألة المحددة.