Гази відіграють вирішальну роль у різних хімічних реакціях, і розуміння стехіометрії газу має важливе значення для передбачення результатів реакцій за участю газів. Стехіометрія, за своєю суттю, займається обчисленням реагентів і продуктів хімічних реакцій. У цьому уроці ми зосередимося на стехіометрії газів, яка включає співвідношення між об’ємом, тиском, температурою та кількістю молей у хімічних реакціях з газоподібними речовинами.
Поняття молярного об’єму є фундаментальним у стехіометрії газу. Він визначається як об’єм, який займає один моль газу. При стандартній температурі та тиску (STP), яка становить 0°C (273,15 К) і тиску 1 атм, один моль будь-якого ідеального газу займає 22,4 літра. Це припущення ґрунтується на законі ідеального газу:
\( PV = nRT \)Де:
Коли мова йде про хімічні реакції за участю газів, стехіометрія стає дещо більш залученою. Ключовим тут є перетворення заданих кількостей у молі, оскільки стехіометрія має справу з молярним співвідношенням між реагентами та продуктами. Розглянемо спалювання метану (CH 4 ), звичайного газу, у присутності кисню з утворенням вуглекислого газу та водяної пари:
\(\textrm{CH}_4 + 2\textrm{О}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{Х}_2\textrm{О} \)Це рівняння говорить нам, що 1 моль метану реагує з 2 молями кисню, утворюючи 1 моль вуглекислого газу та 2 моля водяної пари. Якщо задано об’єм метану при STP, ми можемо використовувати молярний об’єм, щоб знайти молі метану, а потім застосувати мольне співвідношення, щоб знайти об’єми інших газів.
Скажімо, у нас є 22,4 літра метану на STP, що еквівалентно 1 молю метану. Використовуючи стехіометрію реакції, ми можемо обчислити необхідний об’єм кисню та об’єм утвореного вуглекислого газу та водяної пари:
Часто в реакціях з участю газів один реагент витрачається раніше інших, що визначає ступінь реакції. Цей реагент відомий як лімітуючий реагент. Ідентифікація лімітуючого реагенту має вирішальне значення для точного прогнозування кількості утворених продуктів. Це можна зробити, обчисливши молі кожного реагенту на основі їх об’ємів і застосувавши стехіометричні співвідношення реакції.
Хоча закон ідеального газу \(PV = nRT\) є критичним для розуміння поведінки газів за різних умов, він також відіграє ключову роль у стехіометрії. Це дозволяє здійснювати перетворення між об’ємом, тиском, температурою та молями газу, розширюючи наші можливості розв’язувати стехіометричні проблеми поза умовами STP.
Наприклад, якщо реакція відбувається при температурі чи тиску, відмінному від STP, об’єм газів, що беруть участь, все одно можна обчислити, спочатку знайшовши молі газів у STP, а потім застосувавши закон ідеального газу, щоб знайти нові об’єми за заданих умов. . Цей крок важливий, коли мова йде про реальні сценарії, де реакції можуть не завжди відбуватися за стандартних умов.
Приклад стехіометрії газу в реальному застосуванні можна побачити в механізмі розкриття подушок безпеки в транспортних засобах. Швидке надування подушки безпеки є результатом хімічної реакції, яка утворює великий об’єм газу за дуже короткий час. Зазвичай використовується азид натрію (NaN 3 ), який розкладається з утворенням азоту (N 2 ) під час удару:
\(2\textrm{NaN}_3 \rightarrow 2\textrm{Na} + 3\textrm{Н}_2\)Ця реакція швидко виробляє азот, надуваючи подушку безпеки та пом’якшуючи удар для пасажирів автомобіля. Тут стехіометрія використовується для розрахунку точної кількості азиду натрію, необхідного для отримання достатньої кількості газоподібного азоту для заповнення подушки безпеки до бажаного об’єму за мілісекунди.
Хоча ми можемо не мати змоги змоделювати хімічну реакцію, яка використовується для надування подушки безпеки, через проблеми безпеки, ми можемо спостерігати зміни об’єму газу в простіших реакціях. Наприклад, у результаті реакції між оцтом (оцтовою кислотою) і харчовою содою (бікарбонатом натрію) утворюється вуглекислий газ:
\(\textrm{CH}_3\textrm{COOH} + \textrm{NaHCO}_3 \rightarrow \textrm{CH}_3\textrm{COONa} + \textrm{Х}_2\textrm{О} + \textrm{CO}_2\)Проводячи цю реакцію в закритій системі з прикріпленою повітряною кулею, ми можемо візуально спостерігати газ, який утворюється під час надування повітряної кулі. Потім об’єм утвореного газу можна пов’язати зі стехіометрією реакції, пропонуючи відчутний приклад роботи стехіометрії газу.
Хоча принципи газової стехіометрії є простими, застосування в реальному житті може викликати ускладнення. Такі фактори, як неідеальна поведінка газу за певних умов, чистота реагентів і швидкість реакції, можуть вплинути на результат. Ці аспекти необхідно враховувати, особливо в промислових застосуваннях, де точність має вирішальне значення.
Стехіометрія газу є потужним інструментом для розуміння та прогнозування результатів хімічних реакцій за участю газів. Застосовуючи такі поняття, як закон ідеального газу, молярний об’єм і граничні реагенти, ми можемо розрахувати об’єми газів, що беруть участь у реакціях за різних умов. У навчальних закладах, промисловому застосуванні чи навіть у повсякденних продуктах, таких як подушки безпеки, принципи газової стехіометрії мають широке значення та застосування.
