Stoichiometry ni tawi la kemia ambalo hushughulika na uhusiano wa kiasi kati ya viitikio na bidhaa katika mmenyuko wa kemikali. Kujua stoichiometry huruhusu wanakemia kuamua kiasi cha dutu zinazotumiwa na zinazozalishwa katika athari, na kuifanya kuwa muhimu kwa kazi ya maabara na matumizi ya viwandani.
Katika stoichiometry, equation ya kemikali hutoa kichocheo cha mmenyuko wa kemikali. Inaonyesha viitikio vipi vinachanganyika na ni bidhaa gani zinaundwa, pamoja na idadi yao husika. Fikiria equation ya mwako wa methane:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Mlinganyo huu unatuambia kwamba molekuli moja ya methane ( \(\textrm{CH}_4\) ) humenyuka pamoja na molekuli mbili za oksijeni ( \(2\textrm{O}_2\) ) kutoa molekuli moja ya dioksidi kaboni ( \(\textrm{CO}_2\) ) na molekuli mbili za maji ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
Mole ni kitengo kinachotumiwa katika kemia kueleza kiasi cha dutu ya kemikali. Mole moja ina chembe \(6.022 \times 10^{23}\) haswa za dutu hii (nambari ya Avogadro). Kwa kutumia dhana ya mole, wanakemia wanaweza kuhusisha wingi wa vitu na idadi ya chembe au moles zinazohusika katika athari.
Nambari zilizo mbele ya fomula za kemikali katika mlingano wa kemikali huitwa mgawo wa stoichiometric. Zinaonyesha idadi ambayo viitikio huchanganyika na kuunda bidhaa. Katika mfano wa mwako wa methane, mgawo wa stoichiometric ni 1 kwa methane, 2 kwa oksijeni, 1 kwa dioksidi kaboni, na 2 kwa maji.
Ili kufanya mahesabu ya stoichiometric, mara nyingi tunahitaji kubadilisha moles kwa gramu au kinyume chake. Hii inaweza kufanyika kwa kutumia molekuli ya molar ya dutu, ambayo ni molekuli ya mole moja ya dutu hiyo. Masi ya molar ya kiwanja ni jumla ya molekuli ya molar ya vipengele vyake. Kwa mfano:
Hebu tuhesabu wingi wa kaboni dioksidi inayozalishwa wakati \(50.0\, \textrm{g}\) ya methane inapochomwa kabisa katika oksijeni. Uzito wa molar ya methane ni \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , na molekuli ya molar ya dioksidi kaboni ni \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Kwanza, badilisha wingi wa methane kuwa moles:
\( \textrm{moles ya CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Kutumia mgawo wa stoichiometric kutoka kwa usawa wa usawa, tunajua kwamba mole 1 ya methane hutoa mole 1 ya dioksidi kaboni, hivyo moles ya kaboni dioksidi inayozalishwa itakuwa sawa na moles ya methane iliyoitikia.
Kisha, badilisha moles ya kaboni dioksidi kuwa gramu:
\( \textrm{wingi wa CO}_2 = \textrm{moles ya CO}_2 \times \textrm{molekuli ya molar ya CO}_2 \)Katika mmenyuko wa kemikali, kizuia kizuia ni dutu inayotumiwa kwanza na huamua kiwango cha juu cha bidhaa kinachoweza kuundwa. Mavuno ya kinadharia ni kiwango cha juu zaidi cha bidhaa kinachotarajiwa kutokana na athari, kulingana na kiasi cha kizuia kipingamizi.
Ili kutambua kiitikio kikwazo, linganisha uwiano wa mole ya viitikio vinavyopatikana na uwiano wa mole unaohitajika na mlingano wa kemikali uliosawazishwa. Kiitikio ambacho hutoa kiwango kidogo zaidi cha bidhaa kulingana na uwiano wa stoichiometric ndicho kiitikio kikwazo. Kuhesabu mavuno ya kinadharia huhusisha kutumia kiasi cha kizuia kiitikio na stoichiometry ya majibu.
Fikiria mwitikio kati ya gesi ya nitrojeni ( \(\textrm{N}_2\) ) na gesi ya hidrojeni ( \(\textrm{H}_2\) ) kuzalisha amonia ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Ikiwa tuna 28 g ya \(\textrm{N}_2\) na 10 g ya \(\textrm{H}_2\) , ambayo ni kiitikio kikwazo na ni nini matokeo ya kinadharia ya \(\textrm{NH}_3\) ?
Masi ya molar ya \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Uzito wa molar wa \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Badilisha gramu kuwa moles:
\( \textrm{moles ya N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{moles ya H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Linganisha uwiano wa mole unaopatikana wa \(\textrm{H}_2\) na \(\textrm{N}_2\) na uwiano wa stoichiometric kutoka kwa mlingano. Kiitikiaji kikomo huamua kiwango cha juu cha \(\textrm{NH}_3\) kinachoweza kuzalishwa. Geuza fuko za kiitikio kinachopunguza kuwa fuko za \(\textrm{NH}_3\) kwa kutumia vigawo vya stoichiometriki, kisha hadi gramu ikihitajika.
Mahesabu ya stoichiometric sio tu kwa athari na bidhaa katika fomu yao safi; pia zinatumika kwa suluhisho. Katika ufumbuzi wa maji, viwango mara nyingi huonyeshwa kwa molarity, ambayo ni moles ya solute kwa lita moja ya suluhisho ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Wakati wa kufanya majibu katika suluhisho, kiasi cha suluhisho na molarity yake inaweza kutumika kupata moles ya kiitikio au bidhaa inayohusika. Hii ni muhimu sana katika majaribio ya titration, ambapo ufumbuzi wa mkusanyiko unaojulikana hutumiwa kuamua mkusanyiko wa ufumbuzi usiojulikana kwa neutralization.
Tuseme tunahitaji kubadilisha mililita 50.0 ya myeyusho wa 1.0 M HCl kwa suluhu ya NaOH. Mwitikio ni kama ifuatavyo:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Stoichiometry ya mmenyuko inatuambia kwamba mole moja ya HCl humenyuka na mole moja ya NaOH kutoa mole moja ya NaCl na mole moja ya maji. Kwanza, tambua moles za HCl:
\( \textrm{Masi ya HCl} = \textrm{Kiasi (L)} \times \textrm{Molarity (M)} \)Kisha, kwa kutumia uwiano wa stoichiometric, hesabu kiasi cha suluhisho la NaOH linalohitajika ili kuitikia kabisa na ufumbuzi wa HCl. Mfano huu unaonyesha matumizi ya stoichiometry katika ufumbuzi, ambapo mkusanyiko na kiasi cha ufumbuzi huamua kiasi cha viitikio na bidhaa.
Stoichiometry ni dhana ya msingi katika kemia ambayo inaruhusu uchanganuzi wa kiasi cha vitendanishi na bidhaa katika mmenyuko wa kemikali. Kwa kuelewa uhusiano kati ya kiasi cha dutu mbalimbali zinazohusika katika mmenyuko, wanakemia wanaweza kutabiri mavuno ya bidhaa, kubainisha viathiriwa vizuizi, na kukokotoa kiasi muhimu cha nyenzo kwa athari. Iwe inashughulika na miitikio katika aina zao safi au katika suluhu, hesabu za stoichiometric hutoa maarifa muhimu kwa majaribio ya maabara na michakato ya kemikali ya viwandani. Vipengele muhimu, ikiwa ni pamoja na dhana ya mole, coefficients stoichiometric, na uwezo wa kubadilisha kati ya moles na gramu au kuamua viwango katika ufumbuzi, ni muhimu kwa kufanya hesabu hizi kwa usahihi. Kupitia mazoezi na matumizi, mtu anaweza kujua hesabu za stoichiometric na kuzitumia kwa shida nyingi za kemikali.
