Ang Stoichiometry ay isang sangay ng chemistry na tumatalakay sa dami ng mga ugnayan sa pagitan ng mga reactant at mga produkto sa isang kemikal na reaksyon. Ang pag-alam sa stoichiometry ay nagbibigay-daan sa mga chemist na matukoy ang dami ng mga sangkap na natupok at ginawa sa isang reaksyon, na ginagawa itong mahalaga para sa gawaing laboratoryo at mga pang-industriyang aplikasyon.
Sa stoichiometry, ang chemical equation ay nagbibigay ng recipe para sa isang kemikal na reaksyon. Ipinapakita nito kung aling mga reactant ang pinagsama at kung anong mga produkto ang nabuo, kasama ang kani-kanilang mga dami. Isaalang-alang ang equation para sa pagkasunog ng methane:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Sinasabi sa atin ng equation na ito na ang isang molekula ng methane ( \(\textrm{CH}_4\) ) ay tumutugon sa dalawang molekula ng oxygen ( \(2\textrm{O}_2\) ) upang makabuo ng isang molekula ng carbon dioxide ( \(\textrm{CO}_2\) ) at dalawang molekula ng tubig ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
Ang nunal ay isang yunit na ginagamit sa kimika upang ipahayag ang dami ng isang kemikal na sangkap. Ang isang nunal ay naglalaman ng eksaktong \(6.022 \times 10^{23}\) na mga particle ng substance (numero ni Avogadro). Gamit ang konsepto ng nunal, maaaring iugnay ng mga chemist ang masa ng mga sangkap sa bilang ng mga particle o moles na kasangkot sa isang reaksyon.
Ang mga numero sa harap ng mga formula ng kemikal sa isang equation ng kemikal ay tinatawag na mga stoichiometric coefficient. Ipinapahiwatig nila ang mga proporsyon kung saan pinagsama ang mga reactant at nabuo ang mga produkto. Sa halimbawa ng methane combustion, ang stoichiometric coefficients ay 1 para sa methane, 2 para sa oxygen, 1 para sa carbon dioxide, at 2 para sa tubig.
Upang magsagawa ng stoichiometric na mga kalkulasyon, kadalasan kailangan nating i-convert ang mga moles sa gramo o vice versa. Magagawa ito gamit ang molar mass ng substance, na siyang masa ng isang mole ng substance na iyon. Ang molar mass ng isang compound ay ang kabuuan ng molar mass ng mga bahagi nito. Halimbawa:
Kalkulahin natin ang masa ng carbon dioxide na ginawa kapag \(50.0\, \textrm{g}\) ng methane ay ganap na nasunog sa oxygen. Ang molar mass ng methane ay \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , at ang molar mass ng carbon dioxide ay \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Una, i-convert ang masa ng methane sa mga moles:
\( \textrm{mga nunal ng CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Gamit ang stoichiometric coefficients mula sa balanseng equation, alam natin na ang 1 mole ng methane ay gumagawa ng 1 mole ng carbon dioxide, kaya ang mga moles ng carbon dioxide na ginawa ay magiging katumbas ng mga moles ng methane na nag-react.
Pagkatapos, i-convert ang mga moles ng carbon dioxide sa gramo:
\( \textrm{masa ng CO}_2 = \textrm{mga nunal ng CO}_2 \times \textrm{molar mass ng CO}_2 \)Sa isang kemikal na reaksyon, ang limiting reactant ay ang sangkap na ganap na natupok muna at tinutukoy ang maximum na dami ng produkto na maaaring mabuo. Ang theoretical yield ay ang maximum na halaga ng produkto na inaasahan mula sa isang reaksyon, batay sa dami ng naglilimita sa reactant.
Upang matukoy ang naglilimitang reactant, ihambing ang mole ratio ng mga available na reactant sa mole ratio na kinakailangan ng balanseng equation ng kemikal. Ang reactant na nagbibigay ng pinakamababang halaga ng produkto ayon sa stoichiometric ratio ay ang limiting reactant. Ang pagkalkula ng teoretikal na ani ay kinabibilangan ng paggamit ng halaga ng paglilimita ng reactant at ang stoichiometry ng reaksyon.
Isaalang-alang ang reaksyon sa pagitan ng nitrogen gas ( \(\textrm{N}_2\) ) at hydrogen gas ( \(\textrm{H}_2\) ) upang makabuo ng ammonia ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Kung mayroon tayong 28 g ng \(\textrm{N}_2\) at 10 g ng \(\textrm{H}_2\) , na siyang naglilimita sa reactant at ano ang theoretical yield ng \(\textrm{NH}_3\) ?
Molar mass ng \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Molar mass ng \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
I-convert ang mga gramo sa mga moles:
\( \textrm{mga nunal ng N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{mga nunal ng H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Ihambing ang available na mole ratio ng \(\textrm{H}_2\) sa \(\textrm{N}_2\) sa stoichiometric ratio mula sa equation. Tinutukoy ng naglilimitang reactant ang maximum na dami ng \(\textrm{NH}_3\) na maaaring gawin. I-convert ang mga mole ng limiting reactant sa mga moles ng \(\textrm{NH}_3\) gamit ang stoichiometric coefficients, pagkatapos ay sa gramo kung kinakailangan.
Ang mga kalkulasyon ng Stoichiometric ay hindi limitado sa mga reactant at produkto sa kanilang purong anyo; nalalapat din sila sa mga solusyon. Sa mga may tubig na solusyon, ang mga konsentrasyon ay madalas na ipinahayag sa molarity, na mga moles ng solute bawat litro ng solusyon ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Kapag nagsasagawa ng mga reaksyon sa solusyon, ang dami ng solusyon at ang molarity nito ay maaaring gamitin upang mahanap ang mga moles ng reactant o produkto na kasangkot. Ito ay partikular na kapaki-pakinabang sa mga eksperimento sa titration, kung saan ang isang solusyon ng kilalang konsentrasyon ay ginagamit upang matukoy ang konsentrasyon ng isang hindi kilalang solusyon sa pamamagitan ng neutralisasyon.
Ipagpalagay na kailangan nating i-neutralize ang 50.0 mL ng isang 1.0 M HCl solution na may NaOH solution. Ang reaksyon ay ang mga sumusunod:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Ang stoichiometry ng reaksyon ay nagsasabi sa amin na ang isang mole ng HCl ay tumutugon sa isang mole ng NaOH upang makagawa ng isang mole ng NaCl at isang mole ng tubig. Una, tukuyin ang mga moles ng HCl:
\( \textrm{Mga nunal ng HCl} = \textrm{Dami (L)} \times \textrm{Molarity (M)} \)Pagkatapos, gamit ang stoichiometric ratio, kalkulahin ang dami ng NaOH solution na kailangan upang ganap na tumugon sa HCl solution. Ipinapakita ng halimbawang ito ang aplikasyon ng stoichiometry sa mga solusyon, kung saan tinutukoy ng konsentrasyon at dami ng mga solusyon ang mga dami ng mga reactant at produkto.
Ang Stoichiometry ay isang pangunahing konsepto sa chemistry na nagbibigay-daan sa quantitative analysis ng mga reactant at mga produkto sa isang kemikal na reaksyon. Sa pamamagitan ng pag-unawa sa kaugnayan sa pagitan ng mga halaga ng iba't ibang mga sangkap na kasangkot sa isang reaksyon, maaaring hulaan ng mga chemist ang mga ani ng mga produkto, tukuyin ang mga naglilimita sa mga reactant, at kalkulahin ang mga kinakailangang halaga ng mga materyales para sa mga reaksyon. Nakikitungo man sa mga reaksyon sa kanilang mga purong anyo o sa mga solusyon, ang mga stoichiometric na kalkulasyon ay nagbibigay ng mahahalagang insight para sa parehong mga eksperimento sa laboratoryo at pang-industriya na proseso ng kemikal. Ang mga pangunahing bahagi, kabilang ang konsepto ng mole, stoichiometric coefficient, at ang kakayahang mag-convert sa pagitan ng mga moles at gramo o matukoy ang mga konsentrasyon sa mga solusyon, ay mahalaga para sa wastong pagsasagawa ng mga kalkulasyong ito. Sa pamamagitan ng pagsasanay at aplikasyon, ang isa ay maaaring makabisado ng mga stoichiometric na kalkulasyon at ilapat ang mga ito sa isang malawak na hanay ng mga problema sa kemikal.
