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 $1$‍ mol $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍ reaguje z $2$‍ molami $\mathrm{Al}$‍, tworząc $2$‍ mole $\mathrm{Fe}$‍ i $1$‍ mol $\mathrm{Al}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍. Możemy zapisać zależność pomiędzy $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍ i $\mathrm{Al}$‍ w następujący sposób:

Wykorzystując ten stosunek, moglibyśmy obliczyć, ile moli $\text{Al}$‍ jest potrzebnych, aby w pełni przereagować z pewną ilością ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$‍, 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 $1$‍ atom $\mathrm{Na}$‍ i $3$‍ atomy $\mathrm{H}$‍ po stronie substratów oraz $2$‍ atomy $\mathrm{Na}$‍ i $2$‍ atomy $\mathrm{H}$‍ po stronie produktów. Możemy zbilansować to równanie poprzez umieszczenie $2$‍ przed $\mathrm{NaOH}$‍ (co oznacza, że po każdej stronie są $2$‍ atomy $\text{Na}$‍) i kolejnych $2$‍ przed $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$‍ (co oznacza, że po obu stronach mamy $6$‍ atomów $\mathrm{O}$‍ i $4$‍ atomy $\mathrm{H}$‍). W ten sposób otrzymujemy następujące równanie zbilansowane:

Teraz, gdy mamy zbilansowane równanie, możemy zacząć szukać odpowiedzi. Dla przypomnienia, chcemy obliczyć masę $\mathrm{NaOH}$‍, która jest potrzebna, aby całkowicie zareagować z $3,10$‍ g $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍. Możemy rozwiązać ten problem stechiometryczny, podejmując następujące kroki:

Aby połączyć ilości $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ i $\mathrm{NaOH}$‍ wykorzystując stosunek molowy, najpierw musimy znać ilość $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ w molach. Możemy zamienić $3,10$‍ g $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ na mole używając masy molowej $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ ($98,08\mathrm{g}/\mathrm{mol}$‍):

Teraz, kiedy ilość $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ w molach jest znana, na podstawie liczby moli $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ otrzymajmy liczbę moli $\mathrm{NaOH}$‍, stosując odpowiedni stosunek molowy. Zgodnie ze współczynnikami w zbilansowanym równaniu chemicznym, $2$‍ mole $\mathrm{NaOH}$‍ są potrzebne na każdy $1$‍ mol $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍, więc stosunek molowy wynosi

Mnożenie liczby moli $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ przez ten czynnik daje nam liczbę potrzebnych moli $\mathrm{NaOH}$‍ równą:

Zauważ, że zapisaliśmy stosunek molowy w taki sposób, że liczba moli $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ się skraca, w wyniku czego liczba moli $\mathrm{NaOH}$‍ 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 $\mathrm{NaOH}$‍ w gramach, więc naszym ostatnim krokiem jest zamiana $6,2\cdot {10}^{-2}$‍ moli $\mathrm{NaOH}$‍ na gramy. Możemy to zrobić, używając masy molowej $\mathrm{NaOH}$‍ ($40,00\mathrm{g}/\mathrm{mol}$‍):

A zatem $2,53\mathrm{g}$‍ $\mathrm{NaOH}$‍ jest potrzebne do całkowitego zużycia $3,10$‍ gramów $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ 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!