Back to chapter

4.1:

Stoichiometrie van Reacties

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Reaction Stoichiometry

Languages

Share

Stel je een uitgebalanceerde chemische reactie voor, zoals de verbranding van waterstofgas. Hier is de kwantitatieve relatie tussen de reactanten en producten H_2, O_2 en H_2O dat 2 moleculen van H_2 reageren met 1 molecuul O_2 om 2 moleculen H_2O te produceren. Deze kwantitatieve relatie staat bekend als stoichiometrie en is vergelijkbaar met elk ander recept.Stel dat er 2 plakjes salami, 1 plak kaas en 2 stuks Italiaans brood worden gebruikt om 1 broodje te maken. Om drie belegde broodjes te maken, worden de hoeveelheden ingrediënten verdrievoudigd. Hoeveel belegde broodjes kunnen er worden gemaakt met 10 plakjes salami?Omdat de verhouding tussen salami en belegde broodjes twee op één is, kunnen er 5 belegde broodjes worden gemaakt. Ditzelfde proces wordt toegepast op chemische reacties. Denk bijvoorbeeld aan de synthese van ammoniak.De stoichiometrische coëfficiënten geven direct het relatieve aantal moleculen aan, wat overeenkomt met de relatieve hoeveelheden in mol. Een mol stikstofgas en drie mol waterstofgas reageren om twee mol ammoniak te vormen. Om vier mol ammoniak te maken, worden de hoeveelheden reactant verdubbeld.De molverhouding van stikstofgas tot ammoniak is één tot twee, terwijl die van waterstofgas tot ammoniak drie tot twee is. Als er 15 mol waterstof is, hoeveel mol ammoniak kan dan worden gesynthetiseerd? Met de molverhouding als conversiefactor kan 10 mol ammoniak worden gesynthetiseerd.Om de massa van een reactant te schatten uit de massa van het product of vice versa, wordt een pad gevolgd. In tegenstelling tot molconversies zijn berekeningen met massa niet direct. Eerst wordt de bekende massa omgezet in mollen.Vervolgens wordt de molverhouding toegepast. Ten slotte wordt de hoeveelheid in mol omgezet in massa met behulp van de molaire massa van de betreffende verbinding. Denk bijvoorbeeld aan de verbranding van een koolwaterstof raketstuwstof dat wil zeggen de reactie met zuurstof.Hoeveel gram vloeibare zuurstof is er ongeveer nodig voor elke 5.000 gram brandstof? Ten eerste wordt de geschatte molaire massa van de brandstof gebruikt om 5.000 gram om te zetten in mol. Vervolgens wordt de molverhouding van 35 op 2 toegepast om de benodigde hoeveelheid in mol moleculaire zuurstof te berekenen.Ten slotte wordt de molaire massa van moleculaire zuurstof gebruikt om te bepalen dat het ruimtevaartuig ongeveer 17.000 gram zuurstof aan boord moet opslaan voor elke 5.000 gram brandstof.

4.1:

Stoichiometrie van Reacties

A balanced chemical equation provides a great deal of information in a very succinct format. Chemical formulas provide the identities of the reactants and products involved in the chemical change, allowing classification of the reaction. Coefficients provide the relative numbers of these chemical species, allowing a quantitative assessment of the relationships between the amounts of substances consumed and produced by the reaction. These quantitative relationships are known as the reaction’s stoichiometry, a term derived from the Greek words stoicheion (meaning “element”) and metron (meaning “measure”). 

A reaction’s stoichiometry helps predict how much of the reactant is needed to produce the desired amount of product, or in some cases, how much product will be formed from a specific amount of the reactant. 

Stoichiometric Coefficients

The coefficients of a chemical equation represent the number of moles of each substance.  For example, consider the reaction of nitrogen gas and hydrogen gas to produce ammonia. Stoichiometry indicates that one mole of nitrogen and three moles of hydrogen react to produce two moles of ammonia.

Eq1

Since one mole contains Avogadro's number of molecules, the relative numbers of molecules are the same as the relative numbers of moles. An alternative way of reading the equation is “one molecule of nitrogen and three molecules of hydrogen react to produce two molecules of ammonia.”

Stoichiometric Factors 

Balanced chemical equations are used to determine the amount of one reactant required to react with a given amount of another reactant, or to yield a given amount of product, and so forth. The coefficients in the balanced equation are used to derive stoichiometric factors that permit computation of the desired quantity. In the reaction of hydrogen and nitrogen, ammonia molecules are produced from hydrogen molecules in a 2:3 ratio. This means three moles of hydrogen are stoichiometrically equivalent to two moles of ammonia.

Based on this, the following stoichiometric factors are derived:

Eq2

These stoichiometric factors can be used to compute the number of ammonia molecules produced from a given number of hydrogen molecules, or the number of hydrogen molecules required to produce a given number of ammonia molecules. Similar factors may be derived for any pair of substances in any chemical equation.

Mole-to-Mole Conversions

For a balanced chemical reaction for the formation of ammonia from nitrogen and hydrogen, the following stoichiometric mole ratio between N2 and NH3 is 1:2. Then, the molar amount of ammonia is derived by multiplying the molar amount of nitrogen by the stoichiometric conversion factor relating the two substances of interest.

Eq3

Mass-to-Mass Conversions

Converting between masses of substances based on stoichiometry requires the knowledge of mole ratios and molar masses. For example, to find the mass of hydrogen required to produce 0.170 kg of ammonia, first, the molar mass of ammonia is used to convert the mass of ammonia to the amount of ammonia (in moles). Then, the appropriate stoichiometric factor from the balanced equation converts the amount of ammonia (in moles) to the amount of hydrogen (in moles). Lastly, the molar mass of hydrogen converts the amount of hydrogen (in moles) to the mass of hydrogen.

Eq4

Numerous variations on the beginning and ending computational steps are possible depending upon what particular quantities are provided and sought (volumes, solution concentrations, and so forth). Regardless of the details, all these calculations share a common essential component: the use of stoichiometric factors derived from balanced chemical equations.

This text is adapted from OpenStax Chemistry 2e, Section 4.3: Reaction Stoichiometry.