Stoichiometrie

O diagramă stoichiometrică a reacției de ardere a metanului .

Stoichiometria (grecescă στοιχεῖον "element" și μέτρον "măsurare") este ramura chimiei care studiază raporturile cantitative (raporturile de greutate) ale substanțelor chimice în reacțiile chimice .

Stoichiometria de reacție indică în ce rapoarte reacționează două sau mai multe substanțe între ele. Este reprezentat prin coeficienți, numiți coeficienți stoichiometrici , care exprimă raporturile molare cu care reacționează substanțele implicate în reacție. Calculul stoechiometric permite determinarea matematică a cantităților de reactanți și produse implicate într-o reacție chimică.

Atomii reacționează între ei în raporturi exprimabile cu numere naturale , deși coeficienții fracționari sunt adesea folosiți pentru comoditate; totuși, deoarece schimbarea coeficienților schimbă și constanta de echilibru , o reacție este echilibrată corect doar cu coeficienți întregi.

Coeficienții stoichiometrici sunt plasați înaintea fiecărei specii chimice care participă la reacție. În absența unui coeficient, se presupune că numărul este 1.

Procedura de rezolvare a calculelor stoichiometrice

Echilibrați reacția chimică dată sau verificați dacă aceasta este deja echilibrată. O reacție chimică este echilibrată atunci când coeficienții stoichiometrici atribuiți fiecărei specii chimice implicate în reacție asigură că există o corespondență exactă între numărul total de atomi ai fiecărui element din reactanți și produse.
Calculați masa moleculară relativă a substanței a cărei masă este cunoscută și a cărei masă este necunoscută.
Calculați numărul de aluniți reali ai substanței a cărei masă este cunoscută.
Verificați relația dintre alunițele teoretice ale substanței a căror masă este cunoscută și alunițele teoretice ale celei a cărei masă este necunoscută.
Calculați moli reale ale substanței a căror masă este necunoscută de obicei printr-o proporție.
Calculați masa necunoscută.

Exemple

Producția de fosfat de sodiu din hidroxid de sodiu

Iată o problemă de calcul stoichiometric: dată fiind următoarea reacție chimică, calculați masa de hidroxid de sodiu necesară pentru a produce 35 de grame de fosfat de sodiu.

{\ce {NaOH + H3PO4 -> Na3PO4 + H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {NaOH + H3PO4 -> Na3PO4 + H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {NaOH + H3PO4 -> Na3PO4 + H2O}}}

În primul rând, reacția chimică este echilibrată:

{\ce {(3)NaOH + H3PO4-> Na3PO4 + (3)H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {(3) NaOH + H3PO4-> Na3PO4 + (3) H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {(3) NaOH + H3PO4-> Na3PO4 + (3) H2O}}}

Apoi, se calculează greutățile moleculare (M) ale speciilor chimice în cauză:

M _NaOH : 23 + 16 + 1 = 40 g / mol

M _{Na ₃ PO ₄} : (23 * 3) + 31 + (16 * 4) = 164 g / mol

35 de grame de Na ₃ PO ₄ corespund la 35 g / 164 g / mol = 0,21 mol.

Din coeficienții stoichiometrici se observă că un mol de fosfat de sodiu corespunde a trei moli de hidroxid de sodiu, deci 0,21 moli de fosfat de sodiu corespund 0,21 * 3 = 0,63 moli de hidroxid de sodiu.

Care la rândul lor corespund cu 0,63 * 40 = 25,2 grame.

Arderea metanului

În reacția de ardere a metanului cu oxigenul :

{\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}

ecuația chimică ne informează că orice cantitate de metan și oxigen care a început să reacționeze va fi găsită la sfârșitul reacției că cantitatea în moli de metan reacționat va fi jumătate din cantitatea în moli de oxigen reacționată și, de asemenea, că va fi egală cu cantitatea în moli de dioxid de carbon produsă și, de asemenea, care va fi jumătate din cantitatea în moli de apă produsă.

Prin urmare, trebuie remarcat faptul că, grație coeficienților stoichiometrici, este suficient să se cunoască oricare dintre valorile, în moli, ale substanței reacționate sau produse pentru a cunoaște cu ușurință valoarea, în moli, a tuturor celorlalte substanțe reacționate sau produse.

Referindu-ne la valori simple: fiecare mol de metan (16 grame) reacționează cu doi moli de oxigen (2 × 32 = 64 grame) formând un mol de dioxid de carbon (44 grame) și doi moli de apă (2 × 18 = 36 grame) ).
Rețineți că masa totală reacționată (80 g) este egală cu masa totală produsă (legea lui Lavoisier), întâmplător, de asemenea, numărul de moli reacționați (3) este egal cu numărul de moli produși (3), dar în general pentru reacțiile chimice se va constata că masa va fi întotdeauna conservată în timp ce numărul de alunițe poate crește sau scădea. În reacțiile chimice cantitative sau totale (nu în cele de echilibru), reacția se termină atunci când cel puțin unul dintre reactivi a ieșit din acest reactiv, se spune că este „defect” sau că este reactivul limitativ, ceilalți sunt numiți exces de reactivi.

Coeficienții stoichiometrici ai unei ecuații chimice furnizează, așa cum s-a văzut, raporturile molare dintre reactanți, dintre produse și dintre reactanți și produse, menținând aceste rapoarte neschimbate, o ecuație chimică poate fi scrisă corect folosind diverse combinații de numere ca coeficienți stoichiometrici din acest motiv. poate fi exprimat și sub formă fracționată (sau zecimală). Pentru comoditate, se utilizează coeficienți întregi care ne permit să luăm în considerare un raport simplificat între molecule.

Formarea apei din oxigen și hidrogen

Iată un exemplu (reacția de formare a apei, exprimată cu coeficienți întregi):

{\ce {2 H2 + O2 -> 2 H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {2 H2 + O2 -> 2 H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {2 H2 + O2 -> 2 H2O}}}

sau cu numere fracționate:

{\ce {H2 + 1/2 O2 -> H2O}}

{\ displaystyle {\ ce {H2 + 1/2 O2 -> H2O}}}

{\ displaystyle {\ ce {H2 + 1/2 O2 -> H2O}}}

din una sau alta scriere obținem informația că moli de hidrogen reacționat vor fi dublu față de moli de oxigen reacționat, că moli de apă reacționată formată vor fi dublu față de cei de oxigen reacționat etc.

Combustie în motoare termice

Un alt exemplu privind importanța raportului stoichiometric apare în arderea motoarelor termice, unde există atât o cantitate determinată de aer ( combustibil ), cât și combustibil; situații diferite de cea ideală pot duce la decăderea structurală și / sau a performanței, din acest motiv în transformarea motorului pentru a putea lucra cu alți combustibili este recomandabil să revizuiți sistemul de alimentare cu energie electrică. ^[1]

În cazul motoarelor pe benzină în condiții normale de funcționare, valoarea ideală este 14,7: 1, valorile limită de funcționare ale motorului variază de la 8: 1 (amestec extrem de bogat) și 20: 1 (amestec extrem de slab), în cazul unui situația apare în afara acestui interval, motorul nu funcționează din cauza unui exces de benzină sau aer, ^[2] această situație este, în orice caz, analogă oricărui alt combustibil, în care funcționarea este limitată la un anumit interval, cu toate acestea există unele dintre motoare concepute pentru a funcționa cu amestecuri foarte slabe, aceste motoare iau numele în engleză de Lean Burn Engine, ajungând chiar la 65: 1, datorită sarcinii stratificate ^[3] .

Raportul stoichiometric afectează, de asemenea, presiunea medie reală generată de ardere (de care este legat cuplul și, prin urmare, puterea furnizată de motor), dar această relație dintre raportul stoichiometric și presiunea generată este influențată și de temperatura de ardere. De fapt, la temperaturi scăzute de ardere se poate observa că un exces de combustibil permite obținerea unei presiuni mai mari, în timp ce la temperaturi normale de ardere (la starea de echilibru) cel mai bun raport este între cel stoichiometric și puțin bogat în combustibil (aproximativ 13: 1, când este necesară o putere maximă); îndepărtându-se de aceste valori, eficiența motorului tinde să scadă rapid ^[4] , în timp ce situația care permite cea mai bună economie de combustibil se obține cu un raport de 16,5: 1.