Stokiyometri, bir kimyasal reaksiyondaki reaktanlar ve ürünler arasındaki nicel ilişkilerle ilgilenen bir kimya dalıdır. Stokiyometriyi bilmek, kimyagerlerin bir reaksiyonda tüketilen ve üretilen maddelerin miktarlarını belirlemesini sağlar ve bu da onu laboratuvar çalışmaları ve endüstriyel uygulamalar için önemli hale getirir.
Stokiyometride, kimyasal denklem bir kimyasal reaksiyon için bir reçete sağlar. Hangi tepkime maddelerinin birleştiğini ve hangi ürünlerin oluştuğunu, bunların ilgili miktarlarıyla birlikte gösterir. Metanın yanma denklemini düşünün:
\( \textrm{Ç}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{Ortak}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Bu denklem bize bir metan molekülünün ( \(\textrm{Ç}_4\) ) iki oksijen molekülüyle ( \(2\textrm{O}_2\) ) reaksiyona girerek bir karbondioksit molekülü ( \(\textrm{Ortak}_2\) ) ve iki su molekülü ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ) ürettiğini söyler.
Mol, kimyada bir kimyasal maddenin miktarını ifade etmek için kullanılan bir birimdir. Bir mol, maddenin tam olarak \(6.022 \times 10^{23}\) parçacığını (Avogadro sayısı) içerir. Kimyacılar mol kavramını kullanarak, maddelerin kütlesini bir reaksiyonda yer alan parçacık veya mol sayısıyla ilişkilendirebilirler.
Kimyasal bir denklemdeki kimyasal formüllerin önündeki sayılara stokiyometrik katsayılar denir. Bunlar, tepkime maddelerinin birleşip ürünlerin oluştuğu oranları gösterir. Metan yanma örneğinde stokiyometrik katsayılar metan için 1, oksijen için 2, karbondioksit için 1 ve su için 2'dir.
Stokiyometrik hesaplamalar yapmak için genellikle molleri gramlara veya tam tersine dönüştürmemiz gerekir. Bu, maddenin bir molünün kütlesi olan maddenin mol kütlesi kullanılarak yapılabilir. Bir bileşiğin mol kütlesi, bileşenlerinin mol kütlelerinin toplamıdır. Örneğin:
\(50.0\, \textrm{G}\) metan oksijende tamamen yakıldığında oluşan karbondioksit kütlesini hesaplayalım. Metanın mol kütlesi \(16.04\, \textrm{gr/mol}\) ve karbondioksitin mol kütlesi \(44.01\, \textrm{gr/mol}\) dir.
Öncelikle metanın kütlesini mol cinsine çevirelim:
\( \textrm{CH molleri}_4 = \frac{50.0\, \textrm{G}}{16.04\, \textrm{gr/mol}} \)Dengeli denklemdeki stokiyometrik katsayıları kullanarak 1 mol metanın 1 mol karbondioksit ürettiğini biliyoruz, dolayısıyla üretilen karbondioksit mol sayısı, reaksiyona giren metanın mol sayısına eşit olacaktır.
Daha sonra karbondioksit mollerini grama dönüştürelim:
\( \textrm{CO kütlesi}_2 = \textrm{CO molleri}_2 \times \textrm{CO'nun mol kütlesi}_2 \)Bir kimyasal reaksiyonda, sınırlayıcı reaktan ilk önce tamamen tüketilen maddedir ve oluşabilecek maksimum ürün miktarını belirler. Teorik verim, sınırlayıcı reaktan miktarına bağlı olarak bir reaksiyondan beklenen maksimum ürün miktarıdır.
Sınırlayıcı reaktanı belirlemek için, mevcut reaktanların mol oranını dengeli kimyasal denklemin gerektirdiği mol oranıyla karşılaştırın. Stokiyometrik orana göre en az ürün sağlayan reaktan, sınırlayıcı reaktandır. Teorik verimi hesaplamak, sınırlayıcı reaktan miktarını ve reaksiyonun stokiyometrisini kullanmayı içerir.
Azot gazı ( \(\textrm{N}_2\) ) ile hidrojen gazı ( \(\textrm{H}_2\) ) arasındaki tepkimenin amonyak ( \(\textrm{New Hampshire}_3\) ) üretmesini düşünün:
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{New Hampshire}_3 \)28 g \(\textrm{N}_2\) ve 10 g \(\textrm{H}_2\) varsa, sınırlayıcı reaktan hangisidir ve \(\textrm{New Hampshire}_3\) ün teorik verimi nedir?
\(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{gr/mol}\) mol kütlesi; \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{gr/mol}\) mol kütlesi
Gramı mole çevir:
\( \textrm{N molleri}_2 = \frac{28\, \textrm{G}}{28.02\, \textrm{gr/mol}} \) \( \textrm{H molleri}_2 = \frac{10\, \textrm{G}}{2.016\, \textrm{gr/mol}} \)\(\textrm{H}_2\) ile \(\textrm{N}_2\) arasındaki mevcut mol oranını denklemdeki stokiyometrik oranla karşılaştırın. Sınırlayıcı reaktan, üretilebilecek maksimum \(\textrm{New Hampshire}_3\) miktarını belirler. Sınırlayıcı reaktanın mollerini stokiyometrik katsayıları kullanarak \(\textrm{New Hampshire}_3\) mollerine, ardından gerekirse grama dönüştürün.
Stokiyometrik hesaplamalar, saf hallerindeki reaktanlar ve ürünlerle sınırlı değildir; çözeltiler için de geçerlidir. Sulu çözeltilerde, konsantrasyonlar genellikle molarite olarak ifade edilir; bu, çözelti litresi başına çözünen mol sayısıdır ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Çözeltide reaksiyonlar gerçekleştirirken, çözelti hacmi ve molaritesi, söz konusu reaktan veya ürünün mol sayısını bulmak için kullanılabilir. Bu, özellikle bilinen konsantrasyondaki bir çözeltinin nötralizasyon yoluyla bilinmeyen bir çözeltinin konsantrasyonunu belirlemek için kullanıldığı titrasyon deneylerinde faydalıdır.
Diyelim ki 1,0 M HCl çözeltisinin 50,0 mL'sini bir NaOH çözeltisiyle nötralize etmemiz gerekiyor. Tepkime şu şekildedir:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)Reaksiyonun stokiyometrisi bize bir mol HCl'nin bir mol NaOH ile reaksiyona girerek bir mol NaCl ve bir mol su ürettiğini söyler. İlk olarak, HCl'nin mol sayısını belirleyin:
\( \textrm{HCl molleri} = \textrm{Hacim (L)} \times \textrm{Molarite (M)} \)Daha sonra, stokiyometrik oranı kullanarak, HCl çözeltisiyle tamamen reaksiyona girmek için gereken NaOH çözeltisinin hacmini hesaplayın. Bu örnek, çözeltilerdeki stokiyometrinin uygulamasını gösterir; burada çözeltilerin konsantrasyonu ve hacmi, reaktanların ve ürünlerin miktarlarını belirler.
Stokiyometri, bir kimyasal reaksiyondaki reaktanların ve ürünlerin kantitatif analizine olanak tanıyan kimyadaki temel bir kavramdır. Bir reaksiyonda yer alan farklı maddelerin miktarları arasındaki ilişkiyi anlayarak, kimyagerler ürün verimlerini tahmin edebilir, sınırlayıcı reaktanları belirleyebilir ve reaksiyonlar için gerekli malzeme miktarlarını hesaplayabilirler. İster saf formlarındaki reaksiyonlarla ister çözeltilerdeki reaksiyonlarla uğraşın, stokiyometrik hesaplamalar hem laboratuvar deneyleri hem de endüstriyel kimyasal prosesler için değerli bilgiler sağlar. Mol kavramı, stokiyometrik katsayılar ve mol ile gram arasında dönüştürme veya çözeltilerdeki konsantrasyonları belirleme yeteneği gibi temel bileşenler, bu hesaplamaları doğru bir şekilde gerçekleştirmek için olmazsa olmazdır. Pratik ve uygulama yoluyla, stokiyometrik hesaplamalarda ustalaşılabilir ve bunlar çok çeşitli kimyasal sorunlara uygulanabilir.
