Стехиометрия реакции

Сбалансированное химическое уравнение предоставляет большое количество информации в очень сжатом формате. Химические формулы обеспечивают идентичность реагентов и продуктов, участвующих в химическом изменении, позволяя классифицировать реакцию. Коэффициенты обеспечивают относительное количество этих химических видов, позволяя количественно оценить взаимосвязь между количеством веществ, потребляемых и производимых в результате реакции. Эти количественные отношения известны как стехиометрия реакции, термин, производный от греческих слов стехион (означающий “элемент”) и метрон (означающий “мера”).  

Стехиометрия реакции помогает предсказать, сколько реагента необходимо для производства нужного количества продукта, или в некоторых случаях, сколько продукта будет сформировано из определенного количества реагента.  

Стехиометрические коэффициенты

Коэффициенты химического уравнения представляют количество молей каждого вещества.  Например, рассмотрим реакцию газообразного азота и газообразного водорода при производстве аммиака. Стехиометрия указывает на то, что один моль азота и три моля водорода реагируют и производят два моля аммиака.

Поскольку один моль содержит количество молекул Авогадро, относительное количество молекул совпадает с относительным числом молей. Альтернативным способом прочтения уравнения является “одна молекула азота и три молекулы водорода реагируют с получением двух молекул аммиака”.

Стехиометрические коэффициенты  

Сбалансированные химические уравнения используются для определения количества одного реагента, необходимого для реакции с заданным количеством другого реагента, или для получения определенного количества продукта и т.д. Коэффициенты в уравнении используются для вычисления стехиометрических факторов, которые позволяют вычислить желаемое количество. В реакции водорода и азота молекулы аммиака производятся из молекул водорода в соотношении 2:3. Это означает, что три моля водорода стехиометрически эквивалентны двум молям аммиака.

На основании этого получены следующие стехиометрические коэффициенты:

Эти стехиометрические коеффициенты можно использовать для вычисления количества молекул аммиака, образованных из определенного количества молекул водорода, или количества молекул водорода, необходимых для образования определенного количества молекул аммиака. Аналогичные коеффициенты могут быть получены для любой пары веществ в любом химическом уравнении.

Преобразование молей в моли

Для сбалансированной химической реакции с образованием аммиака из азота и водорода следующее стехиометрическое соотношение молей между N₂ and NH₃ составляет 1:2. Затем молярное количество аммиака получается путем умножения молярного количества азота на стехиометрический коэффициент преобразования, относящийся к двум интересующим веществам.

Преобразования массы в массу

Преобразование между массами веществ на основе стехиометрии требует знания мольных соотношений и молярных масс. Например, чтобы найти массу водорода, необходимого для производства 0.170 кг аммиака, сначала молярная масса аммиака используется для преобразования массы аммиака в количество аммиака (в молях). Затем соответствующий стехиометрический коеффициент из сбалансированного уравнения преобразует количество аммиака (в молях) в количество водорода (в молях). Наконец, молярная масса водорода преобразует количество водорода (в молях) в массу водорода.

В зависимости от того, какие конкретные количества представлены и востребованны (объемы, концентрации раствора и т.д.), возможны различные варианты начального и конечного этапов вычислений. Независимо от подробностей, все эти расчеты имеют общий существенный компонент: Использование стехиометрических коеффициентов, полученных из сбалансированных химических уравнений.

Этот текст был адаптирован из OpenStax Химия 2e, раздел 4.3: Стехиометрия реакции.