استوکیومتری شاخه ای از شیمی است که به روابط کمی بین واکنش دهنده ها و محصولات در یک واکنش شیمیایی می پردازد. دانستن استوکیومتری به شیمیدانان این امکان را می دهد که مقادیر مواد مصرف شده و تولید شده در واکنش را تعیین کنند و آن را برای کارهای آزمایشگاهی و کاربردهای صنعتی بسیار مهم می کند.
در استوکیومتری، معادله شیمیایی دستور العملی برای یک واکنش شیمیایی ارائه می دهد. این نشان می دهد که کدام واکنش دهنده ها ترکیب می شوند و چه محصولاتی به همراه مقادیر مربوطه آنها تشکیل می شود. معادله احتراق متان را در نظر بگیرید:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{اچ}_2\textrm{O} \)این معادله به ما می گوید که یک مولکول متان ( \(\textrm{CH}_4\) ) با دو مولکول اکسیژن ( \(2\textrm{O}_2\) ) واکنش می دهد تا یک مولکول دی اکسید کربن تولید کند ( \(\textrm{CO}_2\) ) و دو مولکول آب ( \(2\textrm{اچ}_2\textrm{O}\) ).
مول واحدی است که در شیمی برای بیان مقادیر یک ماده شیمیایی استفاده می شود. یک مول دقیقاً حاوی \(6.022 \times 10^{23}\) ذرات ماده (عدد آووگادرو) است. با استفاده از مفهوم مول، شیمیدانان می توانند جرم مواد را به تعداد ذرات یا مول های درگیر در یک واکنش مرتبط کنند.
اعداد جلوی فرمول های شیمیایی در یک معادله شیمیایی را ضرایب استوکیومتری می گویند. آنها نسبت های ترکیب واکنش دهنده ها و تشکیل محصولات را نشان می دهند. در مثال احتراق متان، ضرایب استوکیومتری 1 برای متان، 2 برای اکسیژن، 1 برای دی اکسید کربن و 2 برای آب است.
برای انجام محاسبات استوکیومتری، اغلب باید مول ها را به گرم یا برعکس تبدیل کنیم. این کار را می توان با استفاده از جرم مولی ماده که جرم یک مول از آن ماده است انجام داد. جرم مولی یک ترکیب، مجموع جرم مولی اجزای آن است. مثلا:
بیایید جرم دی اکسید کربن تولید شده را هنگامی که \(50.0\, \textrm{g}\) متان به طور کامل در اکسیژن احتراق می شود محاسبه کنیم. جرم مولی متان \(16.04\, \textrm{g/mol}\) و جرم مولی دی اکسید کربن \(44.01\, \textrm{g/mol}\) است.
ابتدا جرم متان را به مول تبدیل کنید:
\( \textrm{مول CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)با استفاده از ضرایب استوکیومتری از معادله متعادل، می دانیم که 1 مول متان، 1 مول دی اکسید کربن تولید می کند، بنابراین مول های دی اکسید کربن تولید شده برابر با مول های متان واکنش داده شده خواهد بود.
سپس مول دی اکسید کربن را به گرم تبدیل کنید:
\( \textrm{جرم CO}_2 = \textrm{مول CO}_2 \times \textrm{جرم مولی CO}_2 \)در یک واکنش شیمیایی، واکنش دهنده محدود کننده ماده ای است که ابتدا به طور کامل مصرف می شود و حداکثر مقدار محصولی را که می تواند تشکیل شود تعیین می کند. بازده نظری حداکثر مقدار محصول مورد انتظار از یک واکنش است که بر اساس مقدار واکنش دهنده محدود کننده است.
برای شناسایی واکنش دهنده محدود کننده، نسبت مولی واکنش دهنده های موجود را با نسبت مولی مورد نیاز معادله شیمیایی متعادل مقایسه کنید. واکنش دهنده ای که کمترین مقدار محصول را با توجه به نسبت استوکیومتری ارائه می کند، واکنش دهنده محدود کننده است. محاسبه بازده نظری شامل استفاده از مقدار واکنش دهنده محدود کننده و استوکیومتری واکنش است.
واکنش بین گاز نیتروژن ( \(\textrm{ن}_2\) ) و گاز هیدروژن ( \(\textrm{اچ}_2\) ) برای تولید آمونیاک ( \(\textrm{NH}_3\) ) را در نظر بگیرید:
\( \textrm{ن}_2 + 3\textrm{اچ}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)اگر 28 گرم \(\textrm{ن}_2\) و 10 گرم \(\textrm{اچ}_2\) داشته باشیم که واکنش دهنده محدود کننده است و بازده نظری \(\textrm{NH}_3\) چقدر است. \(\textrm{NH}_3\) ؟
جرم مولی \(\textrm{ن}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; جرم مولی \(\textrm{اچ}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
تبدیل گرم به خال:
\( \textrm{خال های N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{مول H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)نسبت مول موجود \(\textrm{اچ}_2\) به \(\textrm{ن}_2\) را با نسبت استوکیومتری از معادله مقایسه کنید. واکنش دهنده محدود کننده حداکثر مقدار \(\textrm{NH}_3\) را تعیین می کند که می تواند تولید شود. مول های واکنش دهنده محدود کننده را با استفاده از ضرایب استوکیومتری به مول های \(\textrm{NH}_3\) و سپس در صورت نیاز به گرم تبدیل کنید.
محاسبات استوکیومتری به واکنش دهنده ها و محصولات به شکل خالص آنها محدود نمی شود. آنها همچنین برای راه حل ها اعمال می شوند. در محلول‌های آبی، غلظت‌ها اغلب بر حسب مولاریته بیان می‌شوند که مول‌های املاح در لیتر محلول است ( \(M = \textrm{mol/L}\) .
هنگام انجام واکنش ها در محلول، می توان از حجم محلول و مولاریته آن برای یافتن مول های واکنش دهنده یا محصول درگیر استفاده کرد. این به ویژه در آزمایش های تیتراسیون مفید است، جایی که محلولی با غلظت شناخته شده برای تعیین غلظت محلول ناشناخته با خنثی سازی استفاده می شود.
فرض کنید باید 50.0 میلی لیتر از محلول 1.0 مولار HCl را با محلول NaOH خنثی کنیم. واکنش به شرح زیر است:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{اچ}_2\textrm{O} \)استوکیومتری واکنش به ما می گوید که یک مول HCl با یک مول NaOH واکنش می دهد و یک مول NaCl و یک مول آب تولید می کند. ابتدا مول های HCl را تعیین کنید:
\( \textrm{مول HCl} = \textrm{حجم (L)} \times \textrm{مولاریته (M)} \)سپس با استفاده از نسبت استوکیومتری، حجم محلول NaOH مورد نیاز برای واکنش کامل با محلول HCl را محاسبه کنید. این مثال کاربرد استوکیومتری را در محلول ها نشان می دهد، جایی که غلظت و حجم محلول ها مقدار واکنش دهنده ها و محصولات را تعیین می کند.
استوکیومتری یک مفهوم اساسی در شیمی است که امکان تجزیه و تحلیل کمی واکنش دهنده ها و محصولات را در یک واکنش شیمیایی فراهم می کند. با درک رابطه بین مقادیر مواد مختلف درگیر در یک واکنش، شیمیدانان می‌توانند بازده محصولات را پیش‌بینی کنند، واکنش‌دهنده‌های محدودکننده را شناسایی کنند و مقادیر لازم مواد برای واکنش‌ها را محاسبه کنند. محاسبات استوکیومتری چه با واکنش‌ها به شکل خالص و چه در محلول‌ها، بینش‌های ارزشمندی را برای آزمایش‌های آزمایشگاهی و فرآیندهای شیمیایی صنعتی ارائه می‌دهد. اجزای کلیدی، از جمله مفهوم مول، ضرایب استوکیومتری، و توانایی تبدیل بین مول و گرم یا تعیین غلظت در محلول‌ها، برای انجام دقیق این محاسبات ضروری هستند. از طریق تمرین و کاربرد، می توان بر محاسبات استوکیومتری تسلط یافت و آنها را در طیف وسیعی از مسائل شیمیایی به کار برد.
