گازها نقش مهمی در واکنش‌های شیمیایی مختلف دارند و درک استوکیومتری گاز برای پیش‌بینی نتایج واکنش‌های مربوط به گازها ضروری است. استوکیومتری، در هسته خود، با محاسبه واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش های شیمیایی سر و کار دارد. در این درس، ما بر روی استوکیومتری گازها تمرکز خواهیم کرد که شامل روابط بین حجم، فشار، دما و تعداد مول ها در واکنش های شیمیایی با مواد گازی است.
مفهوم حجم مولی در استوکیومتری گازی اساسی است. به عنوان حجم اشغال شده توسط یک مول گاز تعریف می شود. در دما و فشار استاندارد (STP)، که 0 درجه سانتی گراد (273.15 کلوین) و فشار 1 اتمسفر است، یک مول از هر گاز ایده آل 22.4 لیتر را اشغال می کند. این فرض بر اساس قانون گاز ایده آل است:
\( PV = nRT \)جایی که:
وقتی صحبت از واکنش های شیمیایی شامل گازها می شود، استوکیومتری کمی بیشتر درگیر می شود. نکته کلیدی در اینجا تبدیل مقادیر داده شده به مول است، زیرا استوکیومتری با نسبت مولی بین واکنش دهنده ها و محصولات سروکار دارد. احتراق متان (CH 4 ) را در نظر بگیرید، یک گاز معمولی، در حضور اکسیژن برای تولید دی اکسید کربن و بخار آب:
\(\textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{اچ}_2\textrm{O} \)این معادله به ما می گوید که 1 مول متان با 2 مول اکسیژن واکنش داده و 1 مول دی اکسید کربن و 2 مول بخار آب تولید می کند. اگر حجم متان در STP داده شود، می توانیم از حجم مولی برای یافتن مول های متان استفاده کنیم و سپس نسبت مولی را برای یافتن حجم گازهای دیگر درگیر اعمال کنیم.
فرض کنید در STP 22.4 لیتر گاز متان داریم که معادل 1 مول متان است. با استفاده از استوکیومتری واکنش، می توان حجم اکسیژن مورد نیاز و حجم دی اکسید کربن و بخار آب تولید شده را محاسبه کرد:
اغلب در واکنش‌های شامل گازها، یک واکنش‌دهنده قبل از بقیه مصرف می‌شود و میزان واکنش را تعیین می‌کند. این واکنش دهنده به عنوان واکنش دهنده محدود کننده شناخته می شود. شناسایی واکنش دهنده محدود کننده برای پیش بینی دقیق مقدار محصولات تشکیل شده بسیار مهم است. این را می توان با محاسبه مول های هر واکنش دهنده بر اساس حجم آنها و اعمال روابط استوکیومتری واکنش انجام داد.
در حالی که قانون گاز ایده‌آل \(PV = nRT\) برای درک رفتار گازها در شرایط مختلف حیاتی است، اما نقشی اساسی در استوکیومتری دارد. این امکان تبدیل بین حجم، فشار، دما و مول های گاز را فراهم می کند و توانایی ما را برای حل مسائل استوکیومتری فراتر از شرایط STP گسترش می دهد.
به عنوان مثال، اگر واکنشی در دما یا فشاری متفاوت از STP انجام شود، حجم گازهای درگیر را می‌توان با پیدا کردن مول‌های گاز در STP و سپس اعمال قانون گاز ایده‌آل برای یافتن حجم‌های جدید تحت شرایط داده شده محاسبه کرد. . این مرحله هنگام برخورد با سناریوهای زندگی واقعی که در آن واکنش ها ممکن است همیشه در شرایط استاندارد رخ ندهند، ضروری است.
نمونه ای از استوکیومتری گاز در یک کاربرد واقعی را می توان در مکانیسم بازکردن کیسه های هوا در وسایل نقلیه مشاهده کرد. باد شدن سریع کیسه هوا در نتیجه یک واکنش شیمیایی است که در مدت زمان بسیار کوتاهی حجم زیادی گاز تولید می کند. معمولاً از آزید سدیم (NaN 3 ) استفاده می شود که در اثر ضربه تجزیه می شود و گاز نیتروژن ( N2 ) تولید می کند:
\(2\textrm{NaN}_3 \rightarrow 2\textrm{Na} + 3\textrm{ن}_2\)این واکنش به سرعت گاز نیتروژن تولید می کند، کیسه هوا را باد می کند و ضربه را برای سرنشینان خودرو کاهش می دهد. در اینجا، استوکیومتری برای محاسبه مقدار دقیق سدیم آزید مورد نیاز برای تولید گاز نیتروژن کافی برای پر کردن کیسه هوا تا حجم مورد نظر در میلی ثانیه استفاده می شود.
در حالی که ممکن است به دلیل نگرانی‌های ایمنی نتوانیم واکنش شیمیایی مورد استفاده در باد کردن کیسه هوا را شبیه‌سازی کنیم، می‌توانیم تغییرات حجم گاز را در واکنش‌های ساده‌تر مشاهده کنیم. به عنوان مثال، واکنش بین سرکه (اسید استیک) و جوش شیرین (بی کربنات سدیم) گاز دی اکسید کربن تولید می کند:
\(\textrm{CH}_3\textrm{COOH} + \textrm{NaHCO}_3 \rightarrow \textrm{CH}_3\textrm{COONa} + \textrm{اچ}_2\textrm{O} + \textrm{CO}_2\)با انجام این واکنش در یک سیستم بسته با یک بالون متصل، می‌توانیم گاز تولید شده در هنگام باد کردن بالون را مشاهده کنیم. سپس حجم گاز تولید شده را می توان به استوکیومتری واکنش مرتبط کرد و نمونه ای ملموس از استوکیومتری گاز در کار را ارائه داد.
در حالی که اصول استوکیومتری گازی ساده هستند، کاربردهای واقعی می توانند عوارضی را ایجاد کنند. عواملی مانند رفتار غیر ایده آل گاز در شرایط خاص، خلوص واکنش دهنده ها و سرعت واکنش می توانند بر نتیجه تأثیر بگذارند. این جنبه ها باید در نظر گرفته شوند، به ویژه در کاربردهای صنعتی که در آن دقت بسیار مهم است.
استوکیومتری گاز ابزار قدرتمندی برای درک و پیش‌بینی نتایج واکنش‌های شیمیایی شامل گازها فراهم می‌کند. با به کارگیری مفاهیمی مانند قانون گاز ایده آل، حجم مولی و واکنش دهنده های محدود کننده، می توان حجم گازهای درگیر در واکنش ها را در شرایط مختلف محاسبه کرد. اصول استوکیومتری گاز، چه در محیط‌های آموزشی، چه کاربردهای صنعتی، یا حتی در محصولات روزمره مانند کیسه‌های هوا، مفاهیم و کاربردهای گسترده‌ای دارند.
