Стехіометрія — це розділ хімії, який вивчає кількісні співвідношення між реагентами та продуктами хімічної реакції. Знання стехіометрії дозволяє хімікам визначати кількість речовин, що споживаються та утворюються в реакції, що робить це вирішальним для лабораторної роботи та промислового застосування.
У стехіометрії хімічне рівняння забезпечує рецепт хімічної реакції. Він показує, які реагенти поєднуються та які продукти утворюються, а також їх відповідні кількості. Розглянемо рівняння горіння метану:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{О}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{Х}_2\textrm{О} \)Це рівняння говорить нам, що одна молекула метану ( \(\textrm{CH}_4\) ) реагує з двома молекулами кисню ( \(2\textrm{О}_2\) ), утворюючи одну молекулу вуглекислого газу ( \(\textrm{CO}_2\) ) і дві молекули води ( \(2\textrm{Х}_2\textrm{О}\) ).
Моль — це одиниця, яка використовується в хімії для вираження кількості хімічної речовини. Один моль містить рівно \(6.022 \times 10^{23}\) частинок речовини (число Авогадро). Використовуючи концепцію моля, хіміки можуть пов’язати масу речовин із кількістю частинок або молей, які беруть участь у реакції.
Числа перед хімічними формулами в хімічному рівнянні називаються стехіометричними коефіцієнтами. Вони вказують пропорції, в яких реагенти поєднуються й утворюються продукти. У прикладі спалювання метану стехіометричні коефіцієнти дорівнюють 1 для метану, 2 для кисню, 1 для вуглекислого газу та 2 для води.
Щоб виконати стехіометричні обчислення, часто нам потрібно перетворити молі в грами або навпаки. Це можна зробити за допомогою молярної маси речовини, яка є масою одного моля цієї речовини. Молярна маса сполуки - це сума молярних мас її компонентів. Наприклад:
Давайте обчислимо масу вуглекислого газу, який утворюється, коли \(50.0\, \textrm{g}\) метану повністю згорає в кисні. Молярна маса метану дорівнює \(16.04\, \textrm{г/моль}\) , а молярна маса вуглекислого газу — \(44.01\, \textrm{г/моль}\) .
Спочатку переведіть масу метану в молі:
\( \textrm{молей CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{г/моль}} \)Використовуючи стехіометричні коефіцієнти зі збалансованого рівняння, ми знаємо, що 1 моль метану виробляє 1 моль вуглекислого газу, отже, молі утвореного вуглекислого газу дорівнюватимуть молям метану, що прореагував.
Потім переведіть молі вуглекислого газу в грами:
\( \textrm{маса CO}_2 = \textrm{моль CO}_2 \times \textrm{молярна маса CO}_2 \)У хімічній реакції лімітуючим реагентом є речовина, яка повністю витрачається першою та визначає максимальну кількість продукту, який може утворитися. Теоретичний вихід — це максимальна кількість продукту, очікуваного від реакції, виходячи з кількості лімітуючого реагенту.
Щоб визначити граничний реагент, порівняйте молярне співвідношення наявних реагентів із молярним співвідношенням, необхідним для збалансованого хімічного рівняння. Реагент, який забезпечує найменшу кількість продукту відповідно до стехіометричного співвідношення, є лімітуючим реагентом. Розрахунок теоретичного виходу передбачає використання кількості граничного реагенту та стехіометрії реакції.
Розглянемо реакцію між газоподібним азотом ( \(\textrm{Н}_2\) ) і газоподібним воднем ( \(\textrm{Х}_2\) ) з утворенням аміаку ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{Н}_2 + 3\textrm{Х}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Якщо ми маємо 28 г \(\textrm{Н}_2\) і 10 г \(\textrm{Х}_2\) , який є граничним реагентом і який теоретичний вихід \(\textrm{NH}_3\) ?
Молярна маса \(\textrm{Н}_2 = 28.02\, \textrm{г/моль}\) ; Молярна маса \(\textrm{Х}_2 = 2.016\, \textrm{г/моль}\)
Перетворіть грами в молі:
\( \textrm{молі Н}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{г/моль}} \) \( \textrm{молі H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{г/моль}} \)Порівняйте доступне молярне співвідношення \(\textrm{Х}_2\) до \(\textrm{Н}_2\) зі стехіометричним співвідношенням із рівняння. Обмежувальний реагент визначає максимальну кількість \(\textrm{NH}_3\) яку можна виробити. Перетворіть молі граничного реагенту в молі \(\textrm{NH}_3\) за допомогою стехіометричних коефіцієнтів, а потім у грами, якщо потрібно.
Стехіометричні розрахунки не обмежуються реагентами та продуктами в їх чистому вигляді; вони також застосовуються до розчинів. У водних розчинах концентрації часто виражаються в молярності, тобто молях розчиненої речовини на літр розчину ( \(M = \textrm{моль/л}\) ).
Під час проведення реакцій у розчині можна використовувати об’єм розчину та його молярність, щоб знайти молі реагенту чи продукту, що беруть участь. Це особливо корисно в експериментах з титруванням, коли розчин відомої концентрації використовується для визначення концентрації невідомого розчину шляхом нейтралізації.
Припустимо, нам потрібно нейтралізувати 50,0 мл 1,0 М розчину HCl розчином NaOH. Реакція така:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{Х}_2\textrm{О} \)Стехіометрія реакції говорить нам, що один моль HCl реагує з одним молем NaOH, утворюючи один моль NaCl і один моль води. Спочатку визначте молі HCl:
\( \textrm{Молі HCl} = \textrm{Об'єм (л)} \times \textrm{Молярність (M)} \)Потім, використовуючи стехіометричне співвідношення, обчисліть об’єм розчину NaOH, який необхідний для повної реакції з розчином HCl. Цей приклад демонструє застосування стехіометрії в розчинах, де концентрація та об’єм розчинів визначають кількість реагентів і продуктів.
Стехіометрія — фундаментальна концепція в хімії, яка дозволяє кількісний аналіз реагентів і продуктів хімічної реакції. Розуміючи взаємозв’язок між кількостями різних речовин, що беруть участь у реакції, хіміки можуть передбачити вихід продуктів, ідентифікувати граничні реагенти та розрахувати необхідні кількості матеріалів для реакцій. Стехіометричні розрахунки дають цінну інформацію як для лабораторних експериментів, так і для промислових хімічних процесів. Ключові компоненти, включаючи концепцію моля, стехіометричні коефіцієнти та здатність перетворювати молі на грами або визначати концентрації в розчинах, є важливими для точного виконання цих розрахунків. Завдяки практиці та застосуванню можна освоїти стехіометричні розрахунки та застосовувати їх до широкого кола хімічних проблем.
