4.1: Stechiometria reakcji

Zrównoważone równanie chemiczne dostarcza wielu informacji w bardzo zwięzłym formacie. Wzory chemiczne zapewniają tożsamość reagentów i produktów biorących udział w zmianie chemicznej, umożliwiając klasyfikację reakcji. Współczynniki zapewniają względną liczbę tych związków chemicznych, umożliwiając ilościową ocenę zależności między ilościami substancji zużytych i wytworzonych w reakcji. Te zależności ilościowe są znane jako stechiometria reakcji, termin wywodzący się od greckich słów stoicheion (oznaczający “pierwiastek”) i metron (oznaczający “miarę”). 

Stechiometria reakcji pomaga przewidzieć, ile reagenta jest potrzebne do wytworzenia pożądanej ilości produktu lub, w niektórych przypadkach, ile produktu zostanie utworzone z określonej ilości reagenta. 

Współczynniki stechiometryczne

Współczynniki równania chemicznego reprezentują liczbę moli każdej substancji.  Rozważmy na przykład reakcję azotu gazowego i wodoru gazowego w celu wytworzenia amoniaku. Stechiometria wskazuje, że jeden mol azotu i trzy mole wodoru reagują, tworząc dwa mole amoniaku.

Ponieważ jeden pieprzyk zawiera liczbę cząsteczek Avogadro, względna liczba cząsteczek jest taka sama jak względna liczba moli. Alternatywnym sposobem odczytania równania jest to, że “jedna cząsteczka azotu i trzy cząsteczki wodoru reagują, tworząc dwie cząsteczki amoniaku”.

Czynniki stechiometryczne

Zrównoważone równania chemiczne służą do określenia ilości jednego reagenta potrzebnej do reakcji z daną ilością innego reagenta lub do uzyskania określonej ilości produktu i tak dalej. Współczynniki w równaniu zrównoważonym służą do wyprowadzenia czynników stechiometrycznych, które umożliwiają obliczenie żądanej wielkości. W reakcji wodoru i azotu cząsteczki amoniaku są wytwarzane z cząsteczek wodoru w stosunku 2:3. Oznacza to, że trzy mole wodoru są stechiometrycznie równoważne dwóm molom amoniaku.

Na tej podstawie wyprowadza się następujące czynniki stechiometryczne:

Te czynniki stechiometryczne można wykorzystać do obliczenia liczby cząsteczek amoniaku wytwarzanych z danej liczby cząsteczek wodoru lub liczby cząsteczek wodoru potrzebnych do wytworzenia danej liczby cząsteczek amoniaku. Podobne czynniki można wyprowadzić dla dowolnej pary substancji w dowolnym równaniu chemicznym.

Konwersje kret na kret

Aby uzyskać zrównoważoną reakcję chemiczną prowadzącą do wytworzenia amoniaku z azotu i wodoru, następujący stechiometryczny stosunek molowy między N₂ i NH₃ wynosi 1: 2. Następnie molową ilość amoniaku uzyskuje się poprzez pomnożenie molowej ilości azotu przez stechiometryczny współczynnik konwersji odnoszący się do dwóch substancji będących przedmiotem zainteresowania.

Konwersje masowe na masowe

Przeliczanie między masami substancji na podstawie stechiometrii wymaga znajomości stosunków molowych i mas molowych. Na przykład, aby znaleźć masę wodoru potrzebną do wyprodukowania 0,170 kg amoniaku, najpierw masa molowa amoniaku jest używana do przeliczenia masy amoniaku na ilość amoniaku (w molach). Następnie odpowiedni współczynnik stechiometryczny z równania zrównoważonego przelicza ilość amoniaku (w molach) na ilość wodoru (w molach). Wreszcie masa molowa wodoru przekształca ilość wodoru (w molach) na masę wodoru.

Możliwe są liczne warianty początkowych i końcowych kroków obliczeniowych w zależności od tego, jakie konkretne wielkości są dostarczane i poszukiwane (objętości, stężenia roztworu i tak dalej). Niezależnie od szczegółów, wszystkie te obliczenia mają wspólny zasadniczy element: wykorzystanie czynników stechiometrycznych wyprowadzonych ze zrównoważonych równań chemicznych.

Ten tekst został zaadaptowany z OpenStax Chemistry 2e, Sekcja 4.3: Stechiometria reakcji.