Plinovi igraju ključnu ulogu u raznim kemijskim reakcijama, a razumijevanje stehiometrije plina ključno je za predviđanje ishoda reakcija koje uključuju plinove. Stehiometrija se u svojoj srži bavi proračunom reaktanata i produkata u kemijskim reakcijama. U ovoj lekciji usredotočit ćemo se na stehiometriju plinova, koja uključuje odnose između volumena, tlaka, temperature i broja molova u kemijskim reakcijama s plinovitim tvarima.
Koncept molarnog volumena temeljan je u stehiometriji plina. Definira se kao volumen koji zauzima jedan mol plina. Pri standardnoj temperaturi i tlaku (STP), što je 0°C (273,15 K) i tlaku od 1 atm, jedan mol bilo kojeg idealnog plina zauzima 22,4 litre. Ova se pretpostavka temelji na Zakonu o idealnom plinu:
\( PV = nRT \)Gdje:
Kada se radi o kemijskim reakcijama koje uključuju plinove, stehiometrija postaje nešto više uključena. Ovdje je ključno pretvoriti zadane količine u molove, budući da se stehiometrija bavi molskim omjerom između reaktanata i proizvoda. Razmotrimo izgaranje metana (CH 4 ), uobičajenog plina, u prisutnosti kisika da bi se proizveli ugljični dioksid i vodena para:
\(\textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Ova jednadžba nam govori da 1 mol metana reagira s 2 mola kisika i proizvodi 1 mol ugljičnog dioksida i 2 mola vodene pare. Ako je dan volumen metana u STP, možemo upotrijebiti molarni volumen da pronađemo molove metana, a zatim primijeniti molski omjer da pronađemo volumene ostalih uključenih plinova.
Recimo da imamo 22,4 litre metana u STP, što je ekvivalentno 1 molu metana. Koristeći stehiometriju reakcije, možemo izračunati volumen potrebnog kisika i volumen proizvedenog ugljičnog dioksida i vodene pare:
Često će se u reakcijama koje uključuju plinove jedan reaktant potrošiti prije ostalih, određujući opseg reakcije. Ovaj reaktant je poznat kao ograničavajući reaktant. Identificiranje ograničavajućeg reaktanta ključno je za točno predviđanje količine nastalih proizvoda. To se može učiniti izračunavanjem molova svakog reaktanta na temelju njihovih volumena i primjenom stehiometrijskih odnosa reakcije.
Iako je zakon idealnog plina \(PV = nRT\) kritičan za razumijevanje ponašanja plinova u različitim uvjetima, on također igra ključnu ulogu u stehiometriji. Omogućuje pretvorbu između volumena, tlaka, temperature i molova plina, proširujući našu sposobnost rješavanja stehiometrijskih problema izvan STP uvjeta.
Na primjer, ako se reakcija odvija na temperaturi ili tlaku različitim od STP, volumeni uključenih plinova još uvijek se mogu izračunati tako da se najprije pronađu molovi plinova na STP, a zatim primijeni Zakon o idealnom plinu da se pronađu novi volumeni pod zadanim uvjetima. . Ovaj je korak bitan kada se radi o scenarijima iz stvarnog života u kojima se reakcije možda neće uvijek dogoditi u standardnim uvjetima.
Primjer stehiometrije plina u stvarnoj primjeni može se vidjeti u mehanizmu aktiviranja zračnih jastuka u vozilima. Brzo napuhavanje zračnog jastuka rezultat je kemijske reakcije koja proizvodi veliku količinu plina u vrlo kratkom vremenu. Obično se koristi natrijev azid (NaN 3 ), koji se razgrađuje i proizvodi plin dušik (N 2 ) nakon udara:
\(2\textrm{NaN}_3 \rightarrow 2\textrm{Na} + 3\textrm{N}_2\)Ova reakcija brzo proizvodi dušik, napuhujući zračni jastuk i ublažavajući udarce za putnike u vozilu. Ovdje se stehiometrija koristi za izračunavanje točne količine natrijevog azida potrebnog za proizvodnju dovoljne količine plinovitog dušika za punjenje zračnog jastuka do željenog volumena u milisekundama.
Iako možda nećemo moći simulirati kemijsku reakciju koja se koristi za napuhavanje zračnog jastuka zbog sigurnosnih razloga, možemo promatrati promjene volumena plina u jednostavnijim reakcijama. Na primjer, reakcija između octa (octena kiselina) i sode bikarbone (natrij bikarbonat) proizvodi plin ugljični dioksid:
\(\textrm{CH}_3\textrm{COOH} + \textrm{NaHCO}_3 \rightarrow \textrm{CH}_3\textrm{COONa} + \textrm{H}_2\textrm{O} + \textrm{CO}_2\)Provodeći ovu reakciju u zatvorenom sustavu s pričvršćenim balonom, možemo vizualno promatrati plin koji nastaje napuhujući balon. Proizvedeni volumen plina tada se može povezati sa stehiometrijom reakcije, nudeći opipljiv primjer stehiometrije plina na djelu.
Iako su principi plinske stehiometrije jasni, stvarne primjene mogu predstavljati komplikacije. Čimbenici kao što su neidealno ponašanje plina pod određenim uvjetima, čistoća reaktanata i brzina reakcije mogu utjecati na ishod. Ove aspekte treba uzeti u obzir, posebno u industrijskim primjenama gdje je preciznost kritična.
Stehiometrija plinova pruža snažan alat za razumijevanje i predviđanje ishoda kemijskih reakcija koje uključuju plinove. Primjenom koncepata kao što su zakon o idealnom plinu, molarni volumen i ograničavajući reaktanti, možemo izračunati volumene plinova uključenih u reakcije pod različitim uvjetima. Bilo u obrazovnim okruženjima, industrijskim primjenama ili čak u svakodnevnim proizvodima poput zračnih jastuka, načela stehiometrije plina imaju široke implikacije i primjene.
