Stökiometri är en gren av kemin som handlar om de kvantitativa sambanden mellan reaktanterna och produkterna i en kemisk reaktion. Att kunna stökiometri gör det möjligt för kemister att bestämma mängden ämnen som konsumeras och produceras i en reaktion, vilket gör det avgörande för laboratoriearbete och industriella tillämpningar.
Inom stökiometri ger den kemiska ekvationen ett recept för en kemisk reaktion. Den visar vilka reaktanter som kombineras och vilka produkter som bildas, tillsammans med deras respektive kvantiteter. Betrakta ekvationen för förbränning av metan:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Denna ekvation säger oss att en molekyl metan ( \(\textrm{CH}_4\) ) reagerar med två molekyler syre ( \(2\textrm{O}_2\) ) för att producera en molekyl koldioxid ( \(\textrm{CO}_2\) ) och två vattenmolekyler ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
Mullvad är en enhet som används inom kemi för att uttrycka mängder av ett kemiskt ämne. En mol innehåller exakt \(6.022 \times 10^{23}\) partiklar av ämnet (Avogadros nummer). Med hjälp av molbegreppet kan kemister relatera massan av ämnen till antalet partiklar eller mol som är involverade i en reaktion.
Siffrorna framför de kemiska formlerna i en kemisk ekvation kallas stökiometriska koefficienter. De anger i vilka proportioner reaktanter kombineras och produkterna bildas. I exemplet med metanförbränning är de stökiometriska koefficienterna 1 för metan, 2 för syre, 1 för koldioxid och 2 för vatten.
För att utföra stökiometriska beräkningar behöver vi ofta konvertera mol till gram eller vice versa. Detta kan göras med hjälp av ämnets molmassa, vilket är massan av en mol av det ämnet. Molmassan av en förening är summan av molmassorna av dess komponenter. Till exempel:
Låt oss beräkna massan av koldioxid som produceras när \(50.0\, \textrm{g}\) av metan förbränns helt i syre. Molmassan av metan är \(16.04\, \textrm{g/mol}\) och den molära massan av koldioxid är \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Omvandla först massan av metan till mol:
\( \textrm{mol CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Med hjälp av de stökiometriska koefficienterna från den balanserade ekvationen vet vi att 1 mol metan producerar 1 mol koldioxid, så de moler koldioxid som produceras kommer att vara lika med molen metan som reagerat.
Omvandla sedan mol koldioxid till gram:
\( \textrm{massa av CO}_2 = \textrm{mol CO}_2 \times \textrm{molmassa av CO}_2 \)I en kemisk reaktion är den begränsande reaktanten det ämne som är helt förbrukat först bestämmer den maximala mängden produkt som kan bildas. Det teoretiska utbytet är den maximala mängd produkt som förväntas från en reaktion, baserat på mängden begränsande reaktant.
För att identifiera den begränsande reaktanten, jämför molförhållandet för de tillgängliga reaktanterna med molförhållandet som krävs av den balanserade kemiska ekvationen. Den reaktant som ger minst mängd produkt enligt det stökiometriska förhållandet är den begränsande reaktanten. Att beräkna det teoretiska utbytet involverar användning av mängden begränsande reaktant och reaktionens stökiometri.
Betrakta reaktionen mellan kvävgas ( \(\textrm{N}_2\) ) och vätgas ( \(\textrm{H}_2\) ) för att producera ammoniak ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Om vi har 28 g av \(\textrm{N}_2\) och 10 g av \(\textrm{H}_2\) , vilket är den begränsande reaktanten och vad är det teoretiska utbytet av \(\textrm{NH}_3\) ?
Molar massa av \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Molar massa av \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Konvertera gram till mol:
\( \textrm{mol av N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{mol av H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Jämför det tillgängliga molförhållandet för \(\textrm{H}_2\) till \(\textrm{N}_2\) med det stökiometriska förhållandet från ekvationen. Den begränsande reaktanten bestämmer den maximala mängden \(\textrm{NH}_3\) som kan produceras. Konvertera mol av den begränsande reaktanten till mol av \(\textrm{NH}_3\) med hjälp av de stökiometriska koefficienterna, sedan till gram om det behövs.
Stökiometriska beräkningar är inte begränsade till reaktanter och produkter i deras rena form; de gäller även lösningar. I vattenlösningar uttrycks koncentrationer ofta i molaritet, vilket är mol löst ämne per liter lösning ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
När man utför reaktioner i lösning kan volymen av lösningen och dess molaritet användas för att hitta mol av reaktant eller produkt som är involverad. Detta är särskilt användbart i titreringsexperiment, där en lösning med känd koncentration används för att bestämma koncentrationen av en okänd lösning genom neutralisering.
Antag att vi behöver neutralisera 50,0 mL av en 1,0 M HCl-lösning med en NaOH-lösning. Reaktionen är som följer:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Reaktionens stökiometri säger att en mol HCl reagerar med en mol NaOH för att producera en mol NaCl och en mol vatten. Bestäm först mol HCl:
\( \textrm{Mol HCl} = \textrm{Volym (L)} \times \textrm{Molaritet (M)} \)Använd sedan det stökiometriska förhållandet och beräkna volymen NaOH-lösning som behövs för att fullständigt reagera med HCl-lösningen. Detta exempel visar tillämpningen av stökiometri i lösningar, där koncentrationen och volymen av lösningar bestämmer mängden reaktanter och produkter.
Stökiometri är ett grundläggande koncept inom kemi som möjliggör kvantitativ analys av reaktanter och produkter i en kemisk reaktion. Genom att förstå sambandet mellan mängderna av olika ämnen som är involverade i en reaktion kan kemister förutsäga utbyten av produkter, identifiera begränsande reaktanter och beräkna de nödvändiga mängderna material för reaktioner. Oavsett om det handlar om reaktioner i deras rena former eller i lösningar, ger stökiometriska beräkningar värdefulla insikter för både laboratorieexperiment och industriella kemiska processer. Nyckelkomponenterna, inklusive molbegreppet, stökiometriska koefficienter och förmågan att omvandla mellan mol och gram eller bestämma koncentrationer i lösningar, är väsentliga för att dessa beräkningar ska kunna utföras korrekt. Genom övning och tillämpning kan man behärska stökiometriska beräkningar och tillämpa dem på en lång rad kemiska problem.
