Стоихиометријата е гранка на хемијата која се занимава со квантитативните односи помеѓу реактантите и производите во хемиската реакција. Познавањето на стехиометријата им овозможува на хемичарите да ги одредат количините на супстанции што се консумираат и произведуваат во реакцијата, што ја прави клучна за лабораториска работа и индустриски апликации.
Во стехиометријата, хемиската равенка дава рецепт за хемиска реакција. Тоа покажува кои реактанти се комбинираат и кои производи се формираат, заедно со нивните соодветни количини. Размислете за равенката за согорување на метан:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{О}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{Х}_2\textrm{О} \)Оваа равенка ни кажува дека една молекула метан ( \(\textrm{CH}_4\) ) реагира со две молекули кислород ( \(2\textrm{О}_2\) ) за да произведе една молекула јаглерод диоксид ( \(\textrm{CO}_2\) ) и две молекули на вода ( \(2\textrm{Х}_2\textrm{О}\) ).
Кртот е единица која се користи во хемијата за изразување на количества на хемиска супстанција. Еден мол содржи точно \(6.022 \times 10^{23}\) честички од супстанцијата (број на Авогадро). Користејќи го концептот на молови, хемичарите можат да ја поврзат масата на супстанции со бројот на честички или молови вклучени во реакцијата.
Броевите пред хемиските формули во хемиската равенка се нарекуваат стехиометриски коефициенти. Тие укажуваат на пропорциите во кои се комбинираат реактантите и се формираат производите. Во примерот за согорување на метан, стехиометриските коефициенти се 1 за метан, 2 за кислород, 1 за јаглерод диоксид и 2 за вода.
За да извршиме стехиометриски пресметки, честопати треба да ги претвориме бенките во грамови или обратно. Ова може да се направи со користење на моларната маса на супстанцијата, што е маса на еден мол од таа супстанција. Моларната маса на соединението е збир од моларните маси на неговите компоненти. На пример:
Да ја пресметаме масата на јаглеродниот диоксид произведен кога \(50.0\, \textrm{е}\) метан целосно ќе се согори во кислород. Моларната маса на метанот е \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , а моларната маса на јаглерод диоксид е \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Прво, претворете ја масата на метан во молови:
\( \textrm{молови на CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{е}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Користејќи ги стехиометриските коефициенти од избалансираната равенка, знаеме дека 1 мол метан произведува 1 мол јаглерод диоксид, така што произведените молови на јаглерод диоксид ќе бидат еднакви на моловите на метан што се реагира.
Потоа, конвертирате молови на јаглерод диоксид во грамови:
\( \textrm{маса на CO}_2 = \textrm{молови на CO}_2 \times \textrm{моларна маса на CO}_2 \)Во хемиската реакција, ограничувачкиот реактант е супстанцијата што е целосно потрошена прва и ја одредува максималната количина на производ што може да се формира. Теоретскиот принос е максималната количина на производ што се очекува од реакцијата, врз основа на количината на ограничувачки реактант.
За да се идентификува ограничувачкиот реактант, споредете го моловиот сооднос на достапните реактанти со моловиот сооднос што го бара избалансираната хемиска равенка. Реактантот кој обезбедува најмала количина на производ според стехиометрискиот сооднос е ограничувачкиот реактант. Пресметувањето на теоретскиот принос вклучува користење на количината на ограничувачки реактант и стехиометријата на реакцијата.
Размислете за реакцијата помеѓу азотниот гас ( \(\textrm{Н}_2\) ) и водородниот гас ( \(\textrm{Х}_2\) ) за производство на амонијак ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{Н}_2 + 3\textrm{Х}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Ако имаме 28 g \(\textrm{Н}_2\) и 10 g \(\textrm{Х}_2\) , кој е ограничувачкиот реактант и колкав е теоретскиот принос на \(\textrm{NH}_3\) ?
Моларна маса од \(\textrm{Н}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Моларна маса од \(\textrm{Х}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Претворете ги грамите во бенки:
\( \textrm{молови на Н}_2 = \frac{28\, \textrm{е}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{молови од H}_2 = \frac{10\, \textrm{е}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Споредете го достапниот мол сооднос од \(\textrm{Х}_2\) до \(\textrm{Н}_2\) со стехиометрискиот сооднос од равенката. Ограничувачкиот реактант ја одредува максималната количина на \(\textrm{NH}_3\) што може да се произведе. Претворете ги моловите од ограничувачкиот реактант во молови од \(\textrm{NH}_3\) користејќи ги стехиометриските коефициенти, а потоа во грамови доколку е потребно.
Стоихиометриските пресметки не се ограничени на реактантите и производите во нивната чиста форма; важат и за решенија. Во водените раствори, концентрациите често се изразуваат во моларност, што е молови растворена супстанција на литар раствор ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
При изведување на реакции во раствор, волуменот на растворот и неговата моларност може да се користат за да се пронајдат моловите на реактантот или вклучениот производ. Ова е особено корисно во експериментите со титрација, каде што раствор со позната концентрација се користи за одредување на концентрацијата на непознат раствор со неутрализација.
Да претпоставиме дека треба да неутрализираме 50,0 mL од 1,0 M раствор на HCl со раствор на NaOH. Реакцијата е следна:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{Х}_2\textrm{О} \)Стехиометријата на реакцијата ни кажува дека еден мол HCl реагира со еден мол NaOH за да произведе еден мол NaCl и еден мол вода. Прво, определете ги моловите на HCl:
\( \textrm{Молови на HCl} = \textrm{Волумен (L)} \times \textrm{Моларитет (М)} \)Потоа, користејќи го стехиометрискиот сооднос, пресметајте го волуменот на растворот на NaOH потребен за целосно реагирање со растворот на HCl. Овој пример ја демонстрира примената на стехиометријата во растворите, каде што концентрацијата и волуменот на растворите ги одредуваат количините на реактантите и производите.
Стоихиометријата е основен концепт во хемијата кој овозможува квантитативна анализа на реактантите и производите во хемиска реакција. Со разбирање на односот помеѓу количествата на различни супстанции вклучени во реакцијата, хемичарите можат да ги предвидат приносите на производите, да идентификуваат ограничувачки реактанти и да ги пресметаат потребните количини на материјали за реакции. Без разлика дали се занимаваат со реакции во нивните чисти форми или во раствори, стехиометриските пресметки обезбедуваат вредни сознанија и за лабораториските експерименти и за индустриските хемиски процеси. Клучните компоненти, вклучувајќи го концептот на молови, стехиометриските коефициенти и способноста за претворање помеѓу молови и грамови или одредување на концентрациите во растворите, се од суштинско значење за прецизно извршување на овие пресметки. Преку пракса и примена, може да се совладаат стехиометриските пресметки и да се применат на широк опсег на хемиски проблеми.
