Stoichiometrie is een tak van de scheikunde die zich bezighoudt met de kwantitatieve relaties tussen de reactanten en producten in een chemische reactie. Door de stoichiometrie te kennen, kunnen scheikundigen de hoeveelheden stoffen bepalen die worden geconsumeerd en geproduceerd in een reactie, waardoor dit van cruciaal belang is voor laboratoriumwerk en industriële toepassingen.
In stoichiometrie biedt de chemische vergelijking een recept voor een chemische reactie. Het laat zien welke reactanten combineren en welke producten worden gevormd, samen met hun respectieve hoeveelheden. Beschouw de vergelijking voor de verbranding van methaan:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Deze vergelijking vertelt ons dat één molecuul methaan ( \(\textrm{CH}_4\) ) reageert met twee moleculen zuurstof ( \(2\textrm{O}_2\) ) om één molecuul kooldioxide te produceren ( \(\textrm{CO}_2\) ) en twee watermoleculen ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
De mol is een eenheid die in de scheikunde wordt gebruikt om hoeveelheden van een chemische stof uit te drukken. Eén mol bevat precies \(6.022 \times 10^{23}\) deeltjes van de stof (het getal van Avogadro). Met behulp van het molconcept kunnen scheikundigen de massa van stoffen in verband brengen met het aantal deeltjes of mol dat bij een reactie betrokken is.
De getallen vóór de chemische formules in een chemische vergelijking worden stoichiometrische coëfficiënten genoemd. Ze geven de verhoudingen aan waarin reactanten zich combineren en de producten ontstaan. In het voorbeeld van methaanverbranding zijn de stoichiometrische coëfficiënten 1 voor methaan, 2 voor zuurstof, 1 voor kooldioxide en 2 voor water.
Om stoichiometrische berekeningen uit te voeren, moeten we vaak mollen omrekenen naar grammen of omgekeerd. Dit kan worden gedaan met behulp van de molaire massa van de stof, wat de massa is van één mol van die stof. De molaire massa van een verbinding is de som van de molaire massa's van zijn componenten. Bijvoorbeeld:
Laten we de massa kooldioxide berekenen die wordt geproduceerd wanneer \(50.0\, \textrm{G}\) methaan volledig wordt verbrand in zuurstof. De molaire massa van methaan is \(16.04\, \textrm{g/mol}\) en de molaire massa van kooldioxide is \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Converteer eerst de massa methaan naar mol:
\( \textrm{mol CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{G}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Met behulp van de stoichiometrische coëfficiënten uit de uitgebalanceerde vergelijking weten we dat 1 mol methaan 1 mol koolstofdioxide produceert, dus het aantal geproduceerde mol koolstofdioxide zal gelijk zijn aan het aantal mol methaan dat heeft gereageerd.
Converteer vervolgens het aantal mol kooldioxide naar grammen:
\( \textrm{massa CO}_2 = \textrm{mol CO}_2 \times \textrm{molaire massa van CO}_2 \)Bij een chemische reactie is de beperkende reactant de stof die als eerste volledig wordt verbruikt en bepaalt de maximale hoeveelheid product die kan worden gevormd. De theoretische opbrengst is de maximale hoeveelheid product die van een reactie wordt verwacht, gebaseerd op de hoeveelheid beperkende reactant.
Om de beperkende reactant te identificeren, vergelijkt u de molverhouding van de beschikbare reactanten met de molverhouding vereist door de uitgebalanceerde chemische vergelijking. De reactant die volgens de stoichiometrische verhouding de minste hoeveelheid product oplevert, is de beperkende reactant. Bij het berekenen van de theoretische opbrengst wordt gebruik gemaakt van de hoeveelheid beperkende reactant en de stoichiometrie van de reactie.
Beschouw de reactie tussen stikstofgas ( \(\textrm{N}_2\) ) en waterstofgas ( \(\textrm{H}_2\) ) om ammoniak te produceren ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Als we 28 g van \(\textrm{N}_2\) en 10 g van \(\textrm{H}_2\) hebben, wat de beperkende reactant is, en wat is de theoretische opbrengst van \(\textrm{NH}_3\) ?
Molaire massa van \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Molaire massa van \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Gram naar mol omrekenen:
\( \textrm{mol N}_2 = \frac{28\, \textrm{G}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{mollen van H}_2 = \frac{10\, \textrm{G}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Vergelijk de beschikbare molverhouding van \(\textrm{H}_2\) tot \(\textrm{N}_2\) met de stoichiometrische verhouding uit de vergelijking. De beperkende reactant bepaalt de maximale hoeveelheid \(\textrm{NH}_3\) die kan worden geproduceerd. Converteer het aantal mol van de beperkende reactant naar het aantal mol \(\textrm{NH}_3\) met behulp van de stoichiometrische coëfficiënten, en vervolgens indien nodig naar gram.
Stoichiometrische berekeningen zijn niet beperkt tot reactanten en producten in hun pure vorm; ze zijn ook van toepassing op oplossingen. In waterige oplossingen worden concentraties vaak uitgedrukt in molariteit, dat wil zeggen het aantal mol opgeloste stof per liter oplossing ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Bij het uitvoeren van reacties in oplossing kunnen het volume van de oplossing en de molariteit ervan worden gebruikt om het aantal mol betrokken reactant of product te vinden. Dit is vooral handig bij titratie-experimenten, waarbij een oplossing met een bekende concentratie wordt gebruikt om de concentratie van een onbekende oplossing door neutralisatie te bepalen.
Stel dat we 50,0 ml van een 1,0 M HCl-oplossing moeten neutraliseren met een NaOH-oplossing. De reactie is als volgt:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)De stoichiometrie van de reactie vertelt ons dat één mol HCl reageert met één mol NaOH om één mol NaCl en één mol water te produceren. Bepaal eerst het aantal mol HCl:
\( \textrm{Mol HCl} = \textrm{Inhoud (l)} \times \textrm{Molariteit (M)} \)Bereken vervolgens met behulp van de stoichiometrische verhouding het volume NaOH-oplossing dat nodig is om volledig te reageren met de HCl-oplossing. Dit voorbeeld demonstreert de toepassing van stoichiometrie in oplossingen, waarbij de concentratie en het volume van de oplossingen de hoeveelheden reactanten en producten bepalen.
Stoichiometrie is een fundamenteel concept in de chemie dat de kwantitatieve analyse van reactanten en producten in een chemische reactie mogelijk maakt. Door de relatie te begrijpen tussen de hoeveelheden van verschillende stoffen die bij een reactie betrokken zijn, kunnen scheikundigen de opbrengsten van producten voorspellen, beperkende reactanten identificeren en de benodigde hoeveelheden materialen voor reacties berekenen. Of het nu gaat om reacties in hun pure vorm of om oplossingen, stoichiometrische berekeningen bieden waardevolle inzichten voor zowel laboratoriumexperimenten als industriële chemische processen. De belangrijkste componenten, waaronder het molconcept, stoichiometrische coëfficiënten en de mogelijkheid om mollen naar grammen om te zetten of concentraties in oplossingen te bepalen, zijn essentieel voor het nauwkeurig uitvoeren van deze berekeningen. Door oefening en toepassing kan men stoichiometrische berekeningen onder de knie krijgen en deze toepassen op een breed scala aan chemische problemen.
