Стехиометрия

Едно изравнено химично уравнение е аналогично на рецепта за шоколадови бисквитки. То показва какви реактанти (съставки) се комбинират и какви продукти се получават (бисквитките). То също показва количествената зависимост между реактантите и продуктите (като например колко чаши брашно са необходими, за да се направи една партида бисквитки).

Тези числови зависимости са познати като реакционна стехиометрия, термин, изведен от древногръцките думи stoicheion ("елемент") и metron ("мярка"). В тази статия ще разгледаме как можем да използваме стехиометричните зависимости в изравнени химични уравнения, за да определим количествата вещества, изразходени и получени в една химична реакция.

Чест вид стехиометрична зависимост е моларното съотношение, което дава връзката на количеството в молове на всеки две вещества в химична реакция. Можем да запишем моларно съотношение за двойка вещества, като погледнем коефициентите пред всяко вещество в изравненото химично уравнение. Например да разгледаме уравнението за реакцията между железен (III) оксид и метален алуминий:

Коефициентите в уравнението ни казват, че $1$‍ мол $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍ реагира с $2$‍ мола $\mathrm{Al}$‍, образувайки $2$‍ мола $\mathrm{Fe}$‍ и $1$‍ мол $\mathrm{Al}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍. Можем да запишем отношението между $\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$‍ и $\mathrm{Al}$‍ като следното моларно съотношение:

Като използваме това съотношение, можем да изчислим колко мола $\text{Al}$‍ са необходими, за да реагират напълно с определено количество ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$‍, или обратно. В общия случай моларните съотношения могат да се използват за преобразуване на количества от всеки две вещества, участващи в химична реакция. За да илюстрираме това, ще разгледаме пример, в който използваме моларно съотношение, за да преобразуваме количества реактанти.

Разгледай следното неизравнено уравнение:

Първо: трябва да изравним уравнението! В този случай имаме $1$‍ атом $\mathrm{Na}$‍ и $3$‍ атома $\mathrm{H}$‍ от страната на реактантите и $2$‍ атома $\mathrm{Na}$‍ и $2$‍ атома $\mathrm{H}$‍ от страната на продуктите. Можем да изравним уравнението, като поставим $2$‍ пред $\mathrm{NaOH}$‍ (така че да има по $2$‍ атома $\text{Na}$‍ от всяка страна) и $2$‍ пред $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$‍ (така че да има $6$‍ атома $\mathrm{O}$‍ и $4$‍ атома $\mathrm{H}$‍ от всяка страна). Това ни дава следното изравнено уравнение:

Сега, когато имаме изравненото уравнение, нека преминем към решаването на задачата. Да си припомним, че търсим количеството $\mathrm{NaOH}$‍, което е необходимо, за да реагира напълно с $3,10$‍ грама $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍. Можем да се справим с тази стехиометрична задача, като използваме следните стъпки:

За да свържем количествата $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ и $\mathrm{NaOH}$‍, като използваме моларно съотношение, първо трябва да знаем количеството $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ в молове. Можем да преобразуваме $3,10$‍ грама $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ в молове, като използваме моларната маса на $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ ($98,08\mathrm{g}/\mathrm{mol}$‍):

Сега, когато имаме количеството $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ в молове, нека преобразуваме от молове $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ в молове $\mathrm{NaOH}$‍, като използваме подходящото моларно съотношение. Според коефициентите в изравненото химично уравнение $2$‍ мола $\mathrm{NaOH}$‍ са необходими за всеки $1$‍ мол $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍, така че моларното съотношение е

Като умножим броя молове $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ по този коефициент, получаваме броя необходими молове $\mathrm{NaOH}$‍:

Забележи как записахме моларното съотношение така, че моловете $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ да се съкратят и така получихме молове $\mathrm{NaOH}$‍ като крайни единици. За да научиш как единиците могат да се третират като числа за лесно изчисляване в подобни задачи, виж това видео за анализа на мерните единици.

Търсим масата $\mathrm{NaOH}$‍ в грамове, така че последната стъпка е да преобразуваме $6,32\cdot {10}^{-2}$‍ мола $\mathrm{NaOH}$‍ в грамове. Можем да направим това, като използваме моларната маса на $\mathrm{NaOH}$‍ ($40,00\mathrm{g}/\mathrm{mol}$‍):

Следователно са необходими $2,53\mathrm{g}$‍ $\mathrm{NaOH}$‍ за пълно неутрализиране на $3,10$‍ грама $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$‍ в тази реакция.

Пряк път: Можем също така да комбинираме всички три стъпки в едно-единствено изчисление, както е показано в следния израз:

Но се увери, че обръщаш особено внимание на мерните единици, ако предприемеш този подход!

Изравненото химично уравнение ни показва количествената зависимост между всеки от участващите елементи в химичната реакция. Можем да използваме тези числови зависимости, за да запишем моларните съотношения, което ни позволява да преобразуваме между количествата реактанти и/или продукти (и, следователно, да решаваме стехиометричните задачи!).

За да научиш за други чести стехиометрични изчисления, виж тази вълнуваща поредица за ограничаващи реактанти и процентен добив!