Stehiometrija je grana kemije koja se bavi kvantitativnim odnosima između reaktanata i produkata u kemijskoj reakciji. Poznavanje stehiometrije omogućuje kemičarima da odrede količine tvari potrošene i proizvedene u reakciji, što ga čini ključnim za laboratorijski rad i industrijske primjene.
U stehiometriji, kemijska jednadžba daje recept za kemijsku reakciju. Pokazuje koji se reaktanti spajaju i koji proizvodi nastaju, zajedno s njihovim odgovarajućim količinama. Razmotrite jednadžbu za izgaranje metana:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Ova nam jednadžba govori da jedna molekula metana ( \(\textrm{CH}_4\) ) reagira s dvije molekule kisika ( \(2\textrm{O}_2\) ) da proizvede jednu molekulu ugljičnog dioksida ( \(\textrm{CO}_2\) ) i dvije molekule vode ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
Mol je jedinica koja se koristi u kemiji za izražavanje količine kemijske tvari. Jedan mol sadrži točno \(6.022 \times 10^{23}\) čestica tvari (Avogadrov broj). Koristeći koncept molova, kemičari mogu povezati masu tvari s brojem čestica ili molova uključenih u reakciju.
Brojevi ispred kemijskih formula u kemijskoj jednadžbi nazivaju se stehiometrijski koeficijenti. Oni označavaju omjere u kojima se reaktanti spajaju i nastaju produkti. U primjeru izgaranja metana, stehiometrijski koeficijenti su 1 za metan, 2 za kisik, 1 za ugljikov dioksid i 2 za vodu.
Za izvođenje stehiometrijskih izračuna često moramo molove pretvoriti u grame ili obrnuto. To se može učiniti pomoću molarne mase tvari, koja je masa jednog mola te tvari. Molarna masa spoja je zbroj molarnih masa njegovih komponenti. Na primjer:
Izračunajmo masu ugljičnog dioksida proizvedenog kada \(50.0\, \textrm{g}\) metana potpuno izgori u kisiku. Molarna masa metana je \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , a molarna masa ugljičnog dioksida je \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Prvo pretvorite masu metana u molove:
\( \textrm{molovi CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Koristeći stehiometrijske koeficijente iz uravnotežene jednadžbe, znamo da 1 mol metana proizvodi 1 mol ugljičnog dioksida, tako da će molovi proizvedenog ugljičnog dioksida biti jednaki molovima metana koji je reagirao.
Zatim pretvorite molove ugljičnog dioksida u grame:
\( \textrm{masa CO}_2 = \textrm{molovi CO}_2 \times \textrm{molarna masa CO}_2 \)U kemijskoj reakciji, ograničavajući reaktant je tvar koja se prva potpuno potroši i određuje maksimalnu količinu produkta koja se može formirati. Teorijski prinos je maksimalna količina produkta koja se očekuje od reakcije, na temelju količine ograničavajućeg reaktanta.
Da biste identificirali ograničavajući reaktant, usporedite molni omjer dostupnih reaktanata s molnim omjerom koji zahtijeva uravnotežena kemijska jednadžba. Reaktant koji osigurava najmanju količinu produkta prema stehiometrijskom omjeru je ograničavajući reaktant. Izračunavanje teorijskog prinosa uključuje korištenje količine ograničavajućeg reaktanta i stehiometrije reakcije.
Razmotrite reakciju između plinovitog dušika ( \(\textrm{N}_2\) ) i plinovitog vodika ( \(\textrm{H}_2\) ) za proizvodnju amonijaka ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Ako imamo 28 g \(\textrm{N}_2\) i 10 g \(\textrm{H}_2\) , koji je ograničavajući reaktant i koliki je teorijski prinos \(\textrm{NH}_3\) ?
Molarna masa \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Molarna masa \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Pretvorite grame u molove:
\( \textrm{madeži N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{molovi H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Usporedite raspoloživi molski omjer \(\textrm{H}_2\) prema \(\textrm{N}_2\) sa stehiometrijskim omjerom iz jednadžbe. Ograničavajući reaktant određuje najveću količinu \(\textrm{NH}_3\) koja se može proizvesti. Pretvorite molove ograničavajućeg reaktanta u molove \(\textrm{NH}_3\) pomoću stehiometrijskih koeficijenata, zatim u grame ako je potrebno.
Stehiometrijski izračuni nisu ograničeni na reaktante i proizvode u njihovom čistom obliku; vrijede i za rješenja. U vodenim otopinama koncentracije se često izražavaju u molarnosti, što je mol otopljene tvari po litri otopine ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Prilikom izvođenja reakcija u otopini, volumen otopine i njezina molarnost mogu se koristiti za pronalaženje molova uključenog reaktanta ili proizvoda. Ovo je osobito korisno u pokusima titracije, gdje se otopina poznate koncentracije koristi za određivanje koncentracije nepoznate otopine neutralizacijom.
Pretpostavimo da trebamo neutralizirati 50,0 mL 1,0 M otopine HCl otopinom NaOH. Reakcija je sljedeća:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Stehiometrija reakcije nam govori da jedan mol HCl reagira s jednim molom NaOH da proizvede jedan mol NaCl i jedan mol vode. Prvo odredite molove HCl:
\( \textrm{Molovi HCl} = \textrm{Volumen (L)} \times \textrm{Molarnost (M)} \)Zatim pomoću stehiometrijskog omjera izračunajte volumen otopine NaOH koji je potreban za potpunu reakciju s otopinom HCl. Ovaj primjer pokazuje primjenu stehiometrije u otopinama, gdje koncentracija i volumen otopina određuju količine reaktanata i produkata.
Stehiometrija je temeljni koncept u kemiji koji omogućuje kvantitativnu analizu reaktanata i proizvoda u kemijskoj reakciji. Razumijevanjem odnosa između količina različitih tvari uključenih u reakciju, kemičari mogu predvidjeti prinose proizvoda, identificirati ograničavajuće reaktante i izračunati potrebne količine materijala za reakcije. Bilo da se radi o reakcijama u njihovim čistim oblicima ili u otopinama, stehiometrijski izračuni pružaju dragocjene uvide i za laboratorijske eksperimente i za industrijske kemijske procese. Ključne komponente, uključujući koncept mola, stehiometrijske koeficijente i mogućnost pretvorbe između mola i grama ili određivanja koncentracija u otopinama, bitne su za točnu izvedbu ovih izračuna. Kroz praksu i primjenu, može se ovladati stehiometrijskim izračunima i primijeniti ih na širok raspon kemijskih problema.
