Гасовите играат клучна улога во различни хемиски реакции, а разбирањето на стехиометријата на гасовите е од суштинско значење за предвидување на исходите од реакциите кои вклучуваат гасови. Стоихиометријата, во своето јадро, се занимава со пресметка на реактантите и производите во хемиските реакции. Во оваа лекција, ќе се фокусираме на стехиометријата на гасовите, која ги вклучува односите помеѓу волуменот, притисокот, температурата и бројот на молови во хемиските реакции со гасовити супстанции.
Концептот на моларен волумен е основен во стехиометријата на гасови. Се дефинира како волумен зафатен од еден мол гас. При стандардна температура и притисок (STP), што е 0°C (273,15 K) и притисок од 1 atm, еден мол од кој било идеален гас зафаќа 22,4 литри. Оваа претпоставка се заснова на Законот за идеален гас:
\( PV = nRT \)Каде:
Кога станува збор за хемиски реакции кои вклучуваат гасови, стехиометријата станува малку повеќе вклучена. Клучот овде е да се претворат дадените количини во молови, бидејќи стехиометријата се занимава со моловиот однос помеѓу реактантите и производите. Размислете за согорувањето на метан (CH 4 ), вообичаен гас, во присуство на кислород за производство на јаглерод диоксид и водена пареа:
\(\textrm{CH}_4 + 2\textrm{О}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{Х}_2\textrm{О} \)Оваа равенка ни кажува дека 1 мол метан реагира со 2 молови кислород за да произведе 1 мол јаглерод диоксид и 2 молови водена пареа. Ако го дадеме волуменот на метан во STP, можеме да го искористиме моларниот волумен за да ги најдеме моловите на метан и потоа да го примениме моловиот сооднос за да ги најдеме волумените на другите вклучени гасови.
Да речеме дека имаме 22,4 литри гас метан на STP, што е еквивалентно на 1 мол метан. Користејќи ја стехиометријата на реакцијата, можеме да го пресметаме волуменот на потребниот кислород и волуменот на произведениот јаглерод диоксид и водена пареа:
Често во реакциите кои вклучуваат гасови, еден реактант ќе се троши пред другите, одредувајќи го степенот на реакцијата. Овој реактант е познат како ограничувачки реактант. Идентификувањето на ограничувачкиот реактант е од клучно значење за точно предвидување на количината на формираните производи. Ова може да се направи со пресметување на моловите на секој реактант врз основа на нивните волумени и примена на стехиометриските односи на реакцијата.
Додека идеалниот закон за гас \(PV = nRT\) е критичен за разбирање на однесувањето на гасовите под различни услови, тој исто така игра клучна улога во стехиометријата. Овозможува конверзија помеѓу волуменот, притисокот, температурата и моловите на гасот, проширувајќи ја нашата способност да решаваме стехиометриски проблеми надвор од условите на STP.
На пример, ако реакцијата се одвива на температура или притисок различен од STP, волумените на вклучените гасови сепак може да се пресметаат со прво наоѓање на моловите на гасови во STP, а потоа со примена на Законот за идеален гас за да се најдат нови волумени под дадените услови. . Овој чекор е од суштинско значење кога се работи со сценарија од реалниот живот каде што реакциите не секогаш може да се појават во стандардни услови.
Пример за стехиометрија на гас во реална примена може да се види во механизмот за активирање на воздушните перничиња во возилата. Брзото надувување на воздушното перниче е резултат на хемиска реакција која произведува голем волумен на гас за многу кратко време. Најчесто се користи натриум азид (NaN 3 ), кој се распаѓа за да произведе азотен гас (N 2 ) при удар:
\(2\textrm{NaN}_3 \rightarrow 2\textrm{Na} + 3\textrm{Н}_2\)Оваа реакција брзо произведува азотен гас, надувувајќи го воздушното перниче и го ублажува ударот за патниците во возилото. Овде, стехиометријата се користи за да се пресмета прецизната количина на натриум азид потребна за да се произведе доволно азотен гас за да се пополни воздушното перниче до саканиот волумен во милисекунди.
Иако можеби нема да можеме да ја симулираме хемиската реакција што се користи при надувување на воздушните перничиња поради безбедносни грижи, можеме да ги набљудуваме промените во волуменот на гасот во поедноставни реакции. На пример, реакцијата помеѓу оцет (оцетна киселина) и сода бикарбона (натриум бикарбонат) произведува гас на јаглерод диоксид:
\(\textrm{CH}_3\textrm{COOH} + \textrm{NaHCO}_3 \rightarrow \textrm{CH}_3\textrm{COONa} + \textrm{Х}_2\textrm{О} + \textrm{CO}_2\)Спроведувајќи ја оваа реакција во затворен систем со прикачен балон, можеме визуелно да го набљудуваме гасот што се создава при надувување на балонот. Волуменот на произведениот гас потоа може да се поврзе со стехиометријата на реакцијата, нудејќи опиплив пример за гасна стехиометрија при работа.
Додека принципите на стехиометрија на гас се јасни, апликациите во реалниот живот можат да предизвикаат компликации. Факторите како што се неидеалното однесување на гасот под одредени услови, чистотата на реактантите и брзината на реакција може да влијаат на исходот. Овие аспекти треба да се земат предвид, особено во индустриски апликации каде што прецизноста е критична.
Гас стехиометријата обезбедува моќна алатка за разбирање и предвидување на исходите од хемиските реакции кои вклучуваат гасови. Со примена на концепти како што се Законот за идеален гас, моларен волумен и ограничувачки реактанти, можеме да ги пресметаме волумените на гасовите вклучени во реакциите под различни услови. Без разлика дали се работи за образовни услови, индустриски апликации или дури и за секојдневни производи како воздушни перничиња, принципите на стехиометријата на гас имаат широки импликации и примени.
