Stokiyometri, Ürün Verimi ve Sınırlayıcı Reaktanlar

Kimyasal denklemler, bir kimyasal reaksiyonun, kimyasal formüller kullanılarak fiziksel veya kimyasal değişim yoluyla reaktanlardan ürünlere nasıl ilerlediğini temsil eder.

Stokiyometri, bir kimyasal reaksiyondaki reaktanların ve ürünlerin nispi miktarlarını tanımlayan bir terimdir. Maddenin ne yaratıldığını ne de yok edildiğini belirten temel bir yasa olan Kütlenin Korunumu Yasasına dayanmaktadır. Oldukça basit bir şekilde, reaktan atomlarının sayısı ve kimliği, ürün atomlarının sayısına ve kimliğine eşit olmalıdır. Reaksiyonlar atomları yeniden düzenler, ancak onları yaratmaz veya yok etmez. Bu, önerilen bir reaksiyonun dengelenmesi gerektiğini, yani her bir element için atom sayısının reaktan ve ürün taraflarında eşit olmasını gerektirir.

Örneğin, aşağıdaki kimyasal denklemde, sol taraf (reaktanlar) bir bakır atomu, bir hidrojen atomu, bir nitrojen atomu ve üç oksijen atomu içerir.

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + HAYIR

Sağ tarafta, su ürününün önünde bir numara olduğuna dikkat edin. Bu bir katsayıdır ve reaksiyondaki molekül sayısını temsil eder. Bu bilgiyi kullanarak, ürün tarafındaki atom sayısını hesaplayabiliriz. Bir bakır atomu ve sekiz hidrojen atomu (4 x 2) vardır. Azot ve oksijen atomlarının sayımını yapmak biraz daha matematik gerektirir. İlk üründe iki azot atomu ve üçüncü üründe bir azot atomu vardır ki bu toplam üç azot atomu verir. Oksijen için, birinci üründe altı oksijen atomu, ikinci üründe dört oksijen atomu ve üçüncü üründe bir oksijen atomu olmak üzere toplam 11 oksijen atomu vardır.

Bu formda bırakılırsa, reaksiyon mümkün olmaz çünkü Kitlelerin Korunumu Yasasına meydan okur. Ürün tarafında daha fazla hidrojen, nitrojen ve oksijen atomu var. Bu nedenle, denklemin dengelenmesi gerekir.

Bir denklemi dengelemek, sayılar eşit olana kadar her iki tarafa katsayılar eklemeyi gerektiren yinelemeli bir işlemdir. Kimyasal bir denklemi dengelemek için çeşitli yaklaşımlar vardır. Bir yaklaşım, sayıları görselleştirmek için bir tablo ve biraz deneme yanılma kullanır.

Reaktan tarafında sadece bir hidrojen atomu, ancak ürün tarafında sekiz hidrojen atomu olduğundan, reaktan tarafında nitrojeni içeren bileşiğin sekiz ile çarpılması hidrojeni dengeleyecektir. Yeni tablodaki ikinci satır, atom sayısındaki bu değişikliği yansıtır.

Daha sonra, ürün tarafındaki azot sayısını artırmak için, Cu(_NO3)₂ ürününü üç ile çarpmak, azot atomlarının sayısını üçten yediye çıkaracaktır. Azot atomlarının sayısı henüz dengelenmemiştir, ancak dikkate alınması gereken bir reaktan ve bir ürün için hala katsayılar vardır.

Üretilen iki NO molekülü varsa, bu, ürün tarafına bir nitrojen atomu ve bir oksijen atomu daha ekler ve bu iki türü reaktan tarafı ile dengeler.

Şu anda dengesiz kalan tek atom bakırdır. Reaktan tarafındaki bakır atomlarının sayısının üçe çıkarılması denklemi dengeler.

Dengeli denklem şu şekilde yazılır:

3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 NO

Denklemin dengelenmesi, sınırlayıcı reaktantın belirlenmesi için de gereklidir, çünkü bileşiklerin katsayısı, her bir reaktan tarafından ne kadar ürün üretildiğini (ürün verimi) hesaplamak için kullanılır. Bu miktardan, en az miktarda ürün üreten reaktan, reaksiyonda tamamen tüketilen ve bu nedenle üretilen toplam ürün miktarını sınırlayan sınırlayıcı reaktan olarak kabul edilir. Hesaplanan bu miktar aynı zamanda yüzde verimi hesaplamak için gerekli olan reaksiyonun teorik verimini de temsil eder.

Dengeli denklem, atomların basit bir muhasebesinden daha fazlasıdır. Katsayılar, ürünler ve reaktanlar arasındaki molar ilişkiyi, yani her bir reaktan tarafından ne kadar ürün üretildiğini tanımlar. Reaktanın mol sayısı, başka bir ürünün veya reaktantın mol sayısını hesaplamak için kullanılır. En az miktarda ürün üreten reaktan, sınırlayıcı reaktan olarak kabul edilir.

Sınırlayıcı reaktan, reaksiyonda tamamen tüketilir ve bu nedenle üretilen toplam ürün miktarını sınırlar. Sınırlayıcı reaktan tamamen tüketildiğinde, daha fazla ürün oluşmayacaktır. Sınırlayıcı reaktana dayalı olarak oluşturulabilecek olası ürün miktarı, reaksiyonun teorik verimidir.

Gerçek verim, teorik verim ile karşılaştırılır ve 'yüzde verim' ile sonuçlanır. %100'lük bir yüzde verim, kullanılan reaktanlara bağlı olarak mümkün olan maksimum miktarda ürünün üretildiği anlamına gelir. %100'den daha düşük verim yüzdesi yaygındır ve reaksiyon sırasında bir miktar ürün kaybı olduğunu gösterir. Verim yüzdesi hiçbir zaman teorik verimden daha büyük değildir. Bu durumda, deneysel veya hesaplama hataları oluşmuştur.

f