Стехиометрия — раздел химии, изучающий количественные соотношения между реагентами и продуктами химической реакции. Знание стехиометрии позволяет химикам определять количества веществ, потребляемых и образующихся в реакции, что делает ее решающей для лабораторных работ и промышленного применения.
В стехиометрии химическое уравнение дает рецепт химической реакции. Он показывает, какие реагенты соединяются и какие продукты образуются, а также их соответствующие количества. Рассмотрим уравнение горения метана:
\( \textrm{СН}_4 + 2\textrm{О}_2 \rightarrow \textrm{СО}_2 + 2\textrm{ЧАС}_2\textrm{О} \)Это уравнение говорит нам, что одна молекула метана ( \(\textrm{СН}_4\) ) реагирует с двумя молекулами кислорода ( \(2\textrm{О}_2\) ) с образованием одной молекулы углекислого газа ( \(\textrm{СО}_2\) ) и две молекулы воды ( \(2\textrm{ЧАС}_2\textrm{О}\) ).
Моль — это единица, используемая в химии для выражения количества химического вещества. В одном моле содержится ровно \(6.022 \times 10^{23}\) частиц вещества (число Авогадро). Используя концепцию моля, химики могут связать массу веществ с количеством частиц или молей, участвующих в реакции.
Числа перед химическими формулами в химическом уравнении называются стехиометрическими коэффициентами. Они указывают на пропорции, в которых соединяются реагирующие вещества и образуются продукты. В примере сгорания метана стехиометрические коэффициенты равны 1 для метана, 2 для кислорода, 1 для углекислого газа и 2 для воды.
Для выполнения стехиометрических расчетов часто нам необходимо перевести моли в граммы или наоборот. Это можно сделать, используя молярную массу вещества, которая равна массе одного моля этого вещества. Молярная масса соединения представляет собой сумму молярных масс его компонентов. Например:
Рассчитаем массу углекислого газа, образующегося при полном сгорании \(50.0\, \textrm{г}\) метана в кислороде. Молярная масса метана равна \(16.04\, \textrm{г/моль}\) , а молярная масса углекислого газа равна \(44.01\, \textrm{г/моль}\) .
Сначала переведем массу метана в моли:
\( \textrm{моль CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{г}}{16.04\, \textrm{г/моль}} \)Используя стехиометрические коэффициенты сбалансированного уравнения, мы знаем, что 1 моль метана производит 1 моль углекислого газа, поэтому моли образовавшегося углекислого газа будут равны молям прореагировавшего метана.
Затем переведем моли углекислого газа в граммы:
\( \textrm{масса CO}_2 = \textrm{моль CO}_2 \times \textrm{молярная масса CO}_2 \)В химической реакции лимитирующим реагентом является то вещество, которое полностью расходуется первым и определяет максимальное количество продукта, которое может образоваться. Теоретический выход — это максимальное количество продукта, ожидаемого в результате реакции, исходя из количества ограничивающего реагента.
Чтобы идентифицировать ограничивающий реагент, сравните мольное соотношение доступных реагентов с мольным соотношением, требуемым сбалансированным химическим уравнением. Реагент, который дает наименьшее количество продукта в соответствии со стехиометрическим соотношением, является лимитирующим реагентом. Расчет теоретического выхода включает использование количества ограничивающего реагента и стехиометрии реакции.
Рассмотрим реакцию между газообразным азотом ( \(\textrm{Н}_2\) ) и газообразным водородом ( \(\textrm{ЧАС}_2\) ) с образованием аммиака ( \(\textrm{Нью-Хэмпшир}_3\) ):
\( \textrm{Н}_2 + 3\textrm{ЧАС}_2 \rightarrow 2\textrm{Нью-Хэмпшир}_3 \)Если у нас есть 28 г \(\textrm{Н}_2\) и 10 г \(\textrm{ЧАС}_2\) , что является лимитирующим реагентом и каков теоретический выход \(\textrm{Нью-Хэмпшир}_3\) ?
Молярная масса \(\textrm{Н}_2 = 28.02\, \textrm{г/моль}\) ; Молярная масса \(\textrm{ЧАС}_2 = 2.016\, \textrm{г/моль}\)
Переведем граммы в моли:
\( \textrm{моль N}_2 = \frac{28\, \textrm{г}}{28.02\, \textrm{г/моль}} \) \( \textrm{моль H}_2 = \frac{10\, \textrm{г}}{2.016\, \textrm{г/моль}} \)Сравните доступное мольное соотношение \(\textrm{ЧАС}_2\) и \(\textrm{Н}_2\) со стехиометрическим соотношением из уравнения. Ограничивающий реагент определяет максимальное количество \(\textrm{Нью-Хэмпшир}_3\) которое может быть произведено. Переведите моли лимитирующего реагента в моли \(\textrm{Нью-Хэмпшир}_3\) используя стехиометрические коэффициенты, а затем, если необходимо, в граммы.
Стехиометрические расчеты не ограничиваются реагентами и продуктами в чистом виде; они также применимы к решениям. В водных растворах концентрации часто выражаются в молярности, которая равна молям растворенного вещества на литр раствора ( \(M = \textrm{Молл}\) ).
При проведении реакций в растворе объем раствора и его молярность можно использовать для определения количества молей реагента или продукта. Это особенно полезно в экспериментах по титрованию, когда раствор известной концентрации используется для определения концентрации неизвестного раствора путем нейтрализации.
Предположим, нам необходимо нейтрализовать 50,0 мл 1,0 М раствора HCl раствором NaOH. Реакция следующая:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{ЧАС}_2\textrm{О} \)Стехиометрия реакции говорит нам, что один моль HCl реагирует с одним молем NaOH с образованием одного моля NaCl и одного моля воды. Сначала определите моли HCl:
\( \textrm{Моль HCl} = \textrm{Объем (л)} \times \textrm{Молярность (М)} \)Затем, используя стехиометрическое соотношение, рассчитайте объем раствора NaOH, необходимый для полной реакции с раствором HCl. Этот пример демонстрирует применение стехиометрии в растворах, где концентрация и объем растворов определяют количества реагентов и продуктов.
Стехиометрия — это фундаментальное понятие в химии, которое позволяет проводить количественный анализ реагентов и продуктов химической реакции. Понимая взаимосвязь между количествами различных веществ, участвующих в реакции, химики могут прогнозировать выходы продуктов, определять лимитирующие реагенты и рассчитывать необходимые количества материалов для реакций. Независимо от того, идет ли речь о реакциях в чистой форме или в растворах, стехиометрические расчеты дают ценную информацию как для лабораторных экспериментов, так и для промышленных химических процессов. Ключевые компоненты, включая концепцию молей, стехиометрические коэффициенты и возможность преобразования молей в граммы или определения концентрации в растворах, необходимы для точного выполнения этих расчетов. Благодаря практике и применению можно освоить стехиометрические расчеты и применять их для решения широкого круга химических задач.
