Stechiometria

Zbilansowane równanie chemiczne można porównać do przepisu na ciasteczka czekoladowe. Pokazuje ono jakie substraty (składniki) łączą się, aby utworzyć konkretne produkty (ciasteczka). Prezentuje również liczbowe powiązania między substratami a produktami (ile kubków mąki jest potrzebnych do wytworzenia jednej partii ciasteczek).

Te powiązania liczbowe nazywane są stechiometrią reakcji, terminem wywodzącym się ze starożytnych greckich słów stoicheion („element”) i metron („miara”). W tym artykule przyjrzymy się, jak możemy wykorzystać związki stechiometryczne zawarte w zbilansowanych równaniach chemicznych do określenia ilości substancji zużywanych i wytwarzanych w reakcjach chemicznych.

Powszechnym rodzajem związku stechiometrycznego jest stosunek molowy, który odnosi się do ilości dowolnych dwóch substancji w reakcji chemicznej w molach. Możemy zapisać stosunek molowy dla pary substancji, patrząc na współczynniki dla każdego z nich w zbilansowanym równaniu chemicznym. Na przykład rozważmy równanie reakcji pomiędzy tlenkiem żelaza(III) a glinem:

Współczynniki w tym równaniu mówią, że $1$1 mol $\ce{Fe2O3}$ reaguje z $2$2 molami $\ce{Al}$A, l, tworząc $2$2 mole $\ce{Fe}$F, e i $1$1 mol $\ce{Al2O3}$. Możemy zapisać zależność pomiędzy $\ce{Fe2O3}$ i $\ce{Al}$A, l w następujący sposób:

Wykorzystując ten stosunek, moglibyśmy obliczyć, ile moli $\text{Al}$start text, A, l, end text jest potrzebnych, aby w pełni przereagować z pewną ilością $\text{Fe}_2\text{O}_3$start text, F, e, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 3, end subscript, lub odwrotnie. Zasadniczo, stosunek molowy można wykorzystać do konwersji ilości dowolnych substancji uczestniczących w reakcji chemicznej. Aby to zilustrować, przejdźmy przez przykład, w którym używamy stosunku molowego do konwersji pomiędzy ilością substratów.

Rozważ następujące równanie niezbilansowane:

Po pierwsze, musimy zbilansować to równanie! W tym przypadku mamy $1$1 atom $\ce{Na}$N, a i $3$3 atomy $\ce{H}$H po stronie substratów oraz $2$2 atomy $\ce{Na}$N, a i $2$2 atomy $\ce{H}$H po stronie produktów. Możemy zbilansować to równanie poprzez umieszczenie $2$2 przed $\ce{NaOH}$N, a, O, H (co oznacza, że po każdej stronie są $2$2 atomy $\text{Na}$start text, N, a, end text) i kolejnych $2$2 przed $\ce{H2O}$ (co oznacza, że po obu stronach mamy $6$6 atomów $\ce{O}$O i $4$4 atomy $\ce{H}$H). W ten sposób otrzymujemy następujące równanie zbilansowane:

Teraz, gdy mamy zbilansowane równanie, możemy zacząć szukać odpowiedzi. Dla przypomnienia, chcemy obliczyć masę $\ce{NaOH}$N, a, O, H, która jest potrzebna, aby całkowicie zareagować z $3,10$3, comma, 10 g $\ce{H2SO4}$. Możemy rozwiązać ten problem stechiometryczny, podejmując następujące kroki:

Aby połączyć ilości $\ce{H2SO4}$ i $\ce{NaOH}$N, a, O, H wykorzystując stosunek molowy, najpierw musimy znać ilość $\ce{H2SO4}$ w molach. Możemy zamienić $3{,}10$3, comma, 10 g $\ce{H2SO4}$ na mole używając masy molowej $\ce{H2SO4}$ ($\pu{98,08 g/mol}$98, comma, 08, space, g, slash, m, o, l):

Teraz, kiedy ilość $\ce{H2SO4}$ w molach jest znana, na podstawie liczby moli $\ce{H2SO4}$ otrzymajmy liczbę moli $\ce{NaOH}$N, a, O, H, stosując odpowiedni stosunek molowy. Zgodnie ze współczynnikami w zbilansowanym równaniu chemicznym, $2$2 mole $\ce{NaOH}$N, a, O, H są potrzebne na każdy $1$1 mol $\ce{H2SO4}$, więc stosunek molowy wynosi

Mnożenie liczby moli $\ce{H2SO4}$ przez ten czynnik daje nam liczbę potrzebnych moli $\ce{NaOH}$N, a, O, H równą:

Zauważ, że zapisaliśmy stosunek molowy w taki sposób, że liczba moli $\ce{H2SO4}$ się skraca, w wyniku czego liczba moli $\ce{NaOH}$N, a, O, H jest ostateczną jednostką. Aby dowiedzieć się jak jednostki można traktować jako liczby, aby łatwiej dokonywać obliczeń w takich sytuacjach, sprawdź film na temat analizy wymiarowej.

Zostaliśmy poproszeni o wyrażenie masy $\ce{NaOH}$N, a, O, H w gramach, więc naszym ostatnim krokiem jest zamiana $6{,}2 \cdot 10^{-2}$6, comma, 2, dot, 10, start superscript, minus, 2, end superscript moli $\ce{NaOH}$N, a, O, H na gramy. Możemy to zrobić, używając masy molowej $\ce{NaOH}$N, a, O, H ($\pu{40,00 g/mol}$40, comma, 00, space, g, slash, m, o, l):

A zatem $\pu{2,53 g}$2, comma, 53, space, g $\ce{NaOH}$N, a, O, H jest potrzebne do całkowitego zużycia $3{,}10$3, comma, 10 gramów $\ce{H2SO4}$ w tej reakcji.

Skrót: Mogliśmy połączyć wszystkie trzy kroki w jedno obliczenie, jak pokazano w poniższym wyrażeniu:

Pamiętaj, aby zwrócić szczególną uwagę na jednostki, jeśli wybierzesz to podejście!

Zbilansowane równanie chemiczne ukazuje nam zależności liczbowe między wszystkimi substancjami biorącymi udział w przemianie chemicznej. Wykorzystujemy te zależności liczbowe, aby znaleźć stosunek molowy, który pozwala na przeliczenie ilości substratów i produktów dla danej reakcji chemicznej (i rozwiązanie stechiometrycznych problemów!).

Aby dowiedzieć się o innych popularnych obliczeniach stechiometrycznych, sprawdź tę ekscytującą drugą część dotyczącą substratów ograniczających i wydajności procentowej!