Allt í kringum okkur og einnig innra með okkur eru efnahvörf, drifin áfram af orkubreytingum, sem stýra öllum náttúrulegum atburðum í okkar nærumhverfi. Eitt meginhlutverk efnafræðarinnar er að kortleggja og skilja þessi efnahvörf, hvað keyrir þau áfram og hvers vegna. Eitt af grundvallartækjum efnafræðinga í þessari vinnu eru efnajöfnur. En að skrifa efnajöfnur er leið til að segja frá efnahvarfi á einfaldan máta fyrir hvern þann sem kann að lesa úr efnajöfnunni. Efnajöfnur eru allar með sömu grunnbygginguna, en hafa þó stílbrigði eftir því hvað er verið að segja með þeim. Sem dæmi þá segir efnajafnan
Að vetni og súrefni hvarfist saman og myndi vatn. En efnajafnan
segir að vetni á gasformi hvarfast við súrefni á gasformi og við það myndast vatn á gasformi.
Litlu táknin í svigunum eru kölluð ástandstákn og tilgreina ástand eða fasa sem efnið er í við efnahvarfið. (s) táknar fast efni, (l) táknar vökva og (g) táknar gasform. Einnig er notað (aq) sem táknar að efnið er uppleyst í vatni. Efnin sem standa svo vinstra megin við örina eru kölluð hvarfefni ( efni sem hvarfast saman) og efnin sem standa hægra megin við jöfnuna eru kölluð myndefni ( efnin sem myndast).
Takið eftir föstunum sem standa fyrir framan formúlutáknin. Þessir fastar segja okkur í hvaða hlutföllum efnahvörfin gerast. Ef við skoðum aftur fyrstu jöfnuna þá sjáum við að það þarf tvær sameindir af vetni til að hvarfast við eina sameind af súrefni. Og við hvarfið myndast tvær sameindir af vatni.
Þessi hlutföll eru tilkomin vegna þeirra staðreyndar að við efnahvarf þá umraðast frumefnin sem eru til staðar í ný frumefni, sem þýðir að öll atóm sem eru til staðar í upphafi efnahvarfs eru einnig til staðar í lok efnahvarfsins. Hér að neðan má sjá hvernig atómin í þremur vetnissameindum og einni nitursameind endurraða sér til að mynda tvær ammoníakssameindir.
Sú staðreynd að heildarfjöldi atóma verði að vera sá sami fyrir og eftir efnahvarf hlýtur þá einnig að þýða að massi varðveitist í efnahvörfum, þ.e massi myndefna eftir efnahvarf verður að vera sá sami og massi hvarfefnanna fyrir efnahvarfið.
Stilling efnajafna
Í sumum tilfellum þurfum við að geta fundið sjálf hlutföll sameindanna í efnahvarfi, t.d ef við viljum vinna með bruna á hreinu efnasambandi. Fyrsta skrefið er alltaf að átta sig á hvaða efnasambönd taka þátt í hvarfinu en næst þurfum við að finna hlutföll þeirra. Til eru nokkrar leiðir til að finna þessi hlutföll sem kallast að stilla efnahvarf. Hægt er að nýta t.d. hálfhvörf og oxunartölur en fyrir einfaldari efnahvörf er yfirleitt fljótlegast að þreifa sig áfram með því að breyta föstunum og kanna hvort að efnahvarfið gangi upp. Það er gert með því að telja fjölda hvers frumefnis í efnahvarfinu bæði fyrir og eftir efnahvarf og breyta föstunum þannig að fjöldi hvers frumefnis verði sá sami báðu megin við hvarförina. Sýnidæmi 1 og 2 hér að neðan sýna hvernig þetta er gert.
Sýnidæmi 1
Sýnidæmi 2
Takið sérstaklega eftir gerð þessara efnahvarfa. Í báðum tilfellum er lífrænt efni brennt í súrefni. Þessi tegund hvarfa, þ.e. bruni á lífrænu efni, fylgir ávallt sama formi. Lífræn efni þurfa súrefni til að brenna og við brunann myndast koltvísýringur og vatn. Þetta á við um öll lífræn efni, þ.e. efni sem innihalda kolefni og vetni.
Mól og mólmassi
Efnasambönd hafa öll sinn massa. Massi þeirra er samanlagður massi allra atóma sem mynda þau. Massi eins atóms er hins vegar afar lítill eins og kom fram í kaflanum um atóm. Til að hægt sé að vinna með tölur sem eru sambærilegar þeim sem notuð er í rannsóknum var búið til hugtak sem kallast mól.
Mól er í raun tala, þ.e tiltekin fjöldi. Þessi tala er kölluð tala Avogadusar og er 6,02 x 1023. Eitt mól af atómum er því 6,02 x 1023 atóm. Þessi tala var valin til að eitt mól af atómum eða efnasamböndum sé ávallt mælanlegt í grömmum en massi eins móls af C-12 samsætunni er nákvæmlega 12,00 gr. Mólmassi er þá massi eins móls af efni. Mólmassi C-12 er því 12,00 gr / mól.
Í efnafræði er þó almennt verið að vinna með efni í náttúrulegum samsætuhlutföllum og þegar talað er um mólmassa frumefna og efnasambanda má ganga út frá því að frumefni og efnasambönd séu í náttúrulegum samsætuhlutföllum sínum nema annað sé tekið fram.
Til að finna náttúrulegan mólmassa frumefna þarf að taka til greina náttúrulegt hlutfall og massa allra samsæta frumefnisins. Þetta er gert á sama máta og var sýnt í atómhlutanum þar sem náttúrulegur atómmassi var fundinn.
Það er þó óþarfi að gera þetta fyrir hvert frumefni þar sem mólmassa allra frumefna í náttúrulegum samsætuhlutföllum má finna í lotukerfinu. Í lotukerfinu er mólmassi frumefnisins oftast talan sem er fyrir neðan frumefnatáknið, eða a.m.k talan með kommu og aukastöfum. Þannig er mólmassi kolefnis ( C ) = 12,01 gr/mól en mólmassi C-12 samsætunnar er 12,00 gr/mól. Þetta er tilkomið vegna þess að í náttúrunni er hreint kol samsett úr C-12, C-13 og C-14 samsætum kolefnis.
Athugið sérstaklega að rugla ekki saman sætistölu og mólmassa en slíkt er algeng villa sem nemendur gera.
Til að finna mólmassa efnasambanda þarf einfaldlega að leggja saman mólmassa allra frumefnanna sem efnasambandið er gert úr. Sýnidæmi 3 sýnir hvernig finna skal mólmassa fyrir brennisteinssýru á þennan máta auk þessa myndbands.
Sýnidæmi 3
Hver er mólmassi brennisteinssýru? Efnaformúla brennisteinssýru er H2SO4.
Tengl milli massa og mólmassa eru síðan einföld en mólmagn efnis er einfaldlega massi þess deilt með mólmassa efnasambandsins.
Þannig er hægt að finna mólmagn efnis út frá massa þess og einnig massa efnis út frá mólmagni þess.
Í einhverjum tilfellum er einnig hægt að nýta þessa jöfnu til að finna mólmassa efnasambands, en þá þarf að nota einhverja aðferð til að mæla mólmagnið sem er til staðar í einhverjum tilteknum massa.
Algengustu not fyrir þessa jöfnu eru til að finna hve mikinn massa þarf að vigta til að hafa einhvert tiltekið mólmagn af efni. Í sýnidæmi 4 má sjá hvernig það er gert.
Sýnidæmi 4
Massaprósenta frumefnis í efnasambandi
Massaprósenta er skilgreind sem hlutfall af massa eins þátts einhvers fyrirbæris á móti heildarmassa fyrirbærisins. Massaprósenta frumefnis í efnasambandi er því hlutfall af massa tiltekins frumefnis á móti heildarmassa efnasambandsins.
Einfaldasta leiðin til að finna massaprósentu frumefnis í efnasambandi er að notast við mólmassa frumefnanna. Með því að finna heildarmólmassa frumefnis sem þú vilt finna massaprósentu fyrir og deila honum í heildarmólmassa efnasambandsins þá færðu massaprósentuna. Jöfnu fyrir massaprósentu mætti því setja fram sem
en þetta er sérhæfð jafna sem nýtist til að finna massaprósentu frumefnis í efnasambandi. Hvernig þetta er gert má sjá hér í sýnidæmi 5.
Sýnidæmi 5
Hlutfallareikningar efnahvarfa
Ef við skoðum efnahvörfin í upphafi þessa hluta þá sjáum við að þau gerast ávallt í ákveðnum hlutföllum. Þessi hlutföll eru hins vegar ekki háð massa efnanna heldur mólmagni. Til að geta áttað sig á hve mikið magn af hvarfefnum eru nauðsynleg fyrir hvarf eða hve mikið af myndefnum ætti að koma úr hvarfi verður því að reikna hlutfallslegan massa þeirra efna sem taka þátt í efnahvarfi.
Ferilinn er yfirleitt sá sami. Þ.e massi efnasambands sem er þekktur er deildur með mólmassa efnasambandsins til að finna mólmagn þess. Þegar mólmagnið er komið þá má finna hlutfallslegt mólmagn allra hinna efnasambandanna í hvarfinu með því að horfa á hlutföllinn í hvarfjöfnunni. Þekkta mólmagnið er einfaldlega margfaldað eða deilt með þeim hlutfallstölum sem eiga við.
Þegar mólmagn þess efnis sem verið er að finna hefur verið reiknaður út frá hlutföllunum þá er næsta skref að finna mólmassa þess og margfalda þessar tvær tölur saman til að finna massann.
Öruggasta leiðin til að gera þetta er að nota töflureikning eins og sýndur er hér að neðan. Það er þó ekki nauðsynlegt og þegar gott vald er komið á hlutfallareikningum efnahvarfa getur það verið fljótlega að reikna þá á annan máta.
Sýnidæmi 6
En í þessu dæmi sést að þegar að 176 gr af própanóli brenna þá myndast 528 gr af koltvísýring. Athugið að hér er þessi massamunur tilkominn vegna viðbótarmassa frá súrefni og vatni. Þið getið prófað að reikna massanna fyrir súrefni og vatn og staðfest þannig að heildarmassi hvarfefna sé sá sami og heildarmassi myndefna.
Takmarkandi hvörf
Út frá hlutfallareikngunum má sjá að til að efnahvarf nýti hvarfefni 100% þarf hlutfall þeirra að vera hárnákvæmt. Oft er eitt hvarfefni látið vera í umframmagni til að tryggja nýtingu á öðru hvarfefni. Það hvarfeni sem hlutfallslega minna er af er kallað takmarkandi efni þar sem efnahvarf stöðvast þegar það er uppurið.
Dæmi um takmarkandi efni væri bruni á kertavaxi í andrúmslofti. Þar er kertavaxið takmarkandi þar sem svo gott sem endalaust súrefni er til staðar til að hvarfast við vaxið. Aftur á móti ef við brennum kertavax í lokuðu íláti snýst þetta við. Þá er súrefnið í andrúmsloftinu takmarkandi þar sem það klárast að öllum líkindum áður en kertavaxið er uppurið.
Til að finna hvaða hvarfefni telst takmarkandi má nýta sambærilega leið og í hlutfallareikningum efnahvarfa. Hér er þó einungis unnið með hvarfefnin. Fyrst er fundin mólmagn hvers hvarfefnis fyrir sig. Það mólmagn er svo deilt með hvarffastanum úr fyrir hvarfefnið úr hvarfjöfnunni. Að lokum er fundið hvaða hvarfefni er hlutfallslega minnst og er það efni þá takmarkandi.
Sýnidæmi 7