Stechiometria to dziedzina chemii zajmująca się ilościowymi relacjami między reagentami i produktami reakcji chemicznej. Znajomość stechiometrii pozwala chemikom określić ilości substancji zużywanych i wytwarzanych w reakcji, co ma kluczowe znaczenie w pracach laboratoryjnych i zastosowaniach przemysłowych.
W stechiometrii równanie chemiczne stanowi przepis na reakcję chemiczną. Pokazuje, które reagenty łączą się i jakie produkty powstają, wraz z ich odpowiednią ilością. Rozważmy równanie spalania metanu:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{WSPÓŁ}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)To równanie mówi nam, że jedna cząsteczka metanu ( \(\textrm{CH}_4\) ) reaguje z dwiema cząsteczkami tlenu ( \(2\textrm{O}_2\) ), tworząc jedną cząsteczkę dwutlenku węgla ( \(\textrm{WSPÓŁ}_2\) ) i dwie cząsteczki wody ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
Mol jest jednostką stosowaną w chemii do wyrażania ilości substancji chemicznej. Jeden mol zawiera dokładnie \(6.022 \times 10^{23}\) cząstek substancji (liczba Avogadro). Stosując koncepcję mola, chemicy mogą powiązać masę substancji z liczbą cząstek lub moli biorących udział w reakcji.
Liczby stojące przed wzorami chemicznymi w równaniu chemicznym nazywane są współczynnikami stechiometrycznymi. Wskazują proporcje, w jakich łączą się reagenty i powstają produkty. W przykładzie spalania metanu współczynniki stechiometryczne wynoszą 1 dla metanu, 2 dla tlenu, 1 dla dwutlenku węgla i 2 dla wody.
Aby wykonać obliczenia stechiometryczne, często musimy przeliczyć mole na gramy i odwrotnie. Można to zrobić za pomocą masy molowej substancji, która jest masą jednego mola tej substancji. Masa molowa związku jest sumą mas molowych jego składników. Na przykład:
Obliczmy masę dwutlenku węgla powstałego podczas całkowitego spalenia \(50.0\, \textrm{G}\) metanu w tlenie. Masa molowa metanu wynosi \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , a masa molowa dwutlenku węgla wynosi \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Najpierw przelicz masę metanu na mole:
\( \textrm{mole CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{G}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Korzystając ze współczynników stechiometrycznych z równania zrównoważonego, wiemy, że z 1 mola metanu powstaje 1 mol dwutlenku węgla, zatem liczba moli wytworzonego dwutlenku węgla będzie równa liczbie moli przereagowanego metanu.
Następnie zamień mole dwutlenku węgla na gramy:
\( \textrm{masa CO}_2 = \textrm{mole CO}_2 \times \textrm{masa molowa CO}_2 \)W reakcji chemicznej reagentem ograniczającym jest substancja, która jako pierwsza ulega całkowitemu zużyciu i określa maksymalną ilość produktu, jaka może powstać. Wydajność teoretyczna to maksymalna ilość produktu oczekiwana w wyniku reakcji, w oparciu o ilość reagenta ograniczającego.
Aby zidentyfikować reagent ograniczający, porównaj stosunek molowy dostępnych reagentów ze stosunkiem molowym wymaganym przez zrównoważone równanie chemiczne. Reagent, który dostarcza najmniejszą ilość produktu zgodnie ze stosunkiem stechiometrycznym, jest reagentem ograniczającym. Obliczanie wydajności teoretycznej polega na wykorzystaniu ilości reagenta ograniczającego i stechiometrii reakcji.
Rozważmy reakcję pomiędzy gazowym azotem ( \(\textrm{N}_2\) ) i gazowym wodorem ( \(\textrm{H}_2\) ) w wyniku której powstaje amoniak ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Jeśli mamy 28 g \(\textrm{N}_2\) i 10 g \(\textrm{H}_2\) , co jest reagentem ograniczającym i jaka jest teoretyczna wydajność \(\textrm{NH}_3\) ?
Masa molowa \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Masa molowa \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Zamień gramy na mole:
\( \textrm{mole N}_2 = \frac{28\, \textrm{G}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{mole H}_2 = \frac{10\, \textrm{G}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Porównaj dostępny stosunek molowy \(\textrm{H}_2\) do \(\textrm{N}_2\) ze stosunkiem stechiometrycznym z równania. Reagent ograniczający określa maksymalną ilość \(\textrm{NH}_3\) jaką można wytworzyć. Zamień mole reagenta ograniczającego na mole \(\textrm{NH}_3\) przy użyciu współczynników stechiometrycznych, a następnie, jeśli to konieczne, na gramy.
Obliczenia stechiometryczne nie ograniczają się do reagentów i produktów w ich czystej postaci; dotyczą one również rozwiązań. W roztworach wodnych stężenia często wyraża się w molarności, czyli molach substancji rozpuszczonej na litr roztworu ( \(M = \textrm{mol/l}\) ).
Podczas przeprowadzania reakcji w roztworze objętość roztworu i jego molarność można wykorzystać do obliczenia liczby moli reagenta lub produktu. Jest to szczególnie przydatne w eksperymentach miareczkowania, gdzie roztwór o znanym stężeniu wykorzystuje się do określenia stężenia nieznanego roztworu poprzez zobojętnienie.
Załóżmy, że musimy zneutralizować 50,0 ml 1,0 M roztworu HCl roztworem NaOH. Reakcja jest następująca:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Stechiometria reakcji mówi nam, że jeden mol HCl reaguje z jednym molem NaOH, tworząc jeden mol NaCl i jeden mol wody. Najpierw określ liczbę moli HCl:
\( \textrm{Mole HCl} = \textrm{Objętość (L)} \times \textrm{Molarność (M)} \)Następnie, korzystając ze stosunku stechiometrycznego, oblicz objętość roztworu NaOH potrzebną do całkowitego przereagowania z roztworem HCl. Przykład ten ilustruje zastosowanie stechiometrii w roztworach, gdzie stężenie i objętość roztworów determinuje ilość reagentów i produktów.
Stechiometria to podstawowe pojęcie w chemii, które umożliwia ilościową analizę reagentów i produktów reakcji chemicznej. Rozumiejąc związek między ilością różnych substancji biorących udział w reakcji, chemicy mogą przewidzieć wydajności produktów, zidentyfikować reagenty ograniczające i obliczyć niezbędne ilości materiałów do reakcji. Niezależnie od tego, czy chodzi o reakcje w czystej postaci, czy w roztworach, obliczenia stechiometryczne dostarczają cennych informacji zarówno na potrzeby eksperymentów laboratoryjnych, jak i przemysłowych procesów chemicznych. Kluczowe elementy, w tym pojęcie mola, współczynniki stechiometryczne oraz możliwość przeliczania moli na gramy lub określania stężeń w roztworach, są niezbędne do dokładnego wykonywania tych obliczeń. Dzięki praktyce i zastosowaniu można opanować obliczenia stechiometryczne i zastosować je do szerokiego zakresu problemów chemicznych.
