Stehiometrija
Stehiometrijski odnosi su kvantitativni odnosi koji slede iz hemijskih formula ili hemijskih jednačina. U skladu sa tim sva izračunavanja u vezi sa hemijskim formulama ili jednačinama nazivaju se stehiometrijski odnosi (stehiometrija).[1] Stehiometrija je utemeljena na zakonu održanja mase, gde je ukupna masa reagenasa jednaka ukupnoj masi proizvoda. To znači da se odnosi između količine reagenasa i proizvoda obično ponašaju kao odnosi pozitivnih celih brojeva. To istovremeno govori da ako su poznati iznosi odvojenih reagenasa, onda se može izračunati i iznos proizvoda. Saglasno tome, ako je poznata količina jednog reagensa i količina proizvoda, empirijski se može odrediti jedan od reagenasa, a zatim se može izračunati i iznos drugih reagenasa.[2][3][4][5]
Ovi odnosi se mogu prikazati uravnoteženom jednačinom:
- CH
4 + 2 O
2 → CO
2 + 2 H
2O.
Ovde jedan molekul metana reaguje sa dva molekula gasovitog kiseonika, pa nastaju jedan molekul ugljen dioksida i dva molekula vode. Stehiometrija meri ove količinske odnose, a koristi se za određivanje količine proizvoda/reagenasa koji su proizvodeni/potrebni u datoj reakciji. Opisani količinski odnosi među supstancama u hemijskoj reakciji poznati su kao reakcijska stehiometrija. U gornjem primeru, reakcijska stehiometrija meri odnos između metana i kiseonika koji u međusobnoj reakciji stvaraju ugljen dioksid i vodu.
Zbog poznatog odnosa molske i atomske težine, dobijeni stehiometrijski koeficijenti mogu se koristiti za određivanje težine u reakciji koja je opisana u uravnoteženoj jednačini. To se zove kompozicijska stehiometrija.
Gasna stehiometrija bavi se reakcijama koje uključuju gasove, a na osnovu poznate temperature, pritiska i zapremine može se pretpostaviti da li je dati uzorak idealan gas. Za gasove, odnos zapremina je idealno isti kao i onaj po zakonu o idealnom gasu, ali se odnos mase jedne reakcije mora izračunati iz molekulskih masa reagenasa i proizvoda. U praksi, zbog postojanja izotopa, koriste se molarne mase, umesto da se izračunava odnos masa.
Etimologija uredi
Izraz stehiometrija je prvi put koristio Jeremijas Benjamin Rihter 1792. godine, kada je objavljen prvi tom njegove knjige pod nazivom Stehiometrija ili umetnost merenja hemijskih elemenata (Stoichiometry or the Art of Measuring the Chemical Elements). Naziv je izveden iz grčkih reči στοιχεῖον - stoicheion = element + μέτρον – metron = mera. U patrističkom grčkom, reč stoichiometria je koristio patrijarh Nićifor I Carigradski kada se odnosio na broj linijskih tačaka kanonskog Novog zaveta i nekih od Apokrifa.
Definicija uredi
Stehiometrijska količina ili stehiometrijske odnos reagenasa je njihova najpovoljnija količina ili odnos, a pod pretpostavkom da je reakcija kompletna, potebno je znati da:
- svi reagensi se troše;
- nema nedostatka reagenasa;
- ne postoji višak reagensa.[6]
Stehiometrija počiva na osnovnim zakonima koji pomažu bolje razumevanje odnosa u reakcijama kao što su: zakon održanja mase, zakon određenih proporcija (odnosno, zakon stalnog sastava), zakon više proporcija i zakon recipročnih proporcija. U principu, u hemijskim reakcijama se sjedinjuju određeni odnosi hemikalija. Hemijske reakcije ne mogu ni stvoriti ni uništiti materiju, niti transmutirati jedan hemijski element u drugi, a iznos svakog elementa mora biti isti u celokupnoj reakciji. Na primer, broj atoma određenog elementa X na reaktantskoj strani mora biti jednak broju atoma tog elementa na strani proizvoda, bez obzira da li su ili ne svi od tih atoma zapravo uključeni u reakciju.
Hemijske reakcije, kao makroskopske jedinice operacija, sastoje se od veoma velikiog broja elementarnih reakcija, gde jedan molekul reaguje s drugom molekulom. Kada molekul (ili njegova polovina) reaguje, nastaje završni skup atoma u proizvodu, a odnos između reagenasa u potpunoj reakciji je u integrisanom odnosu. Reakcija može da troši više od jednog molekula, a stehiometrijski broj se objašnjava kao pozitivan broj za proizvode (zbirno) i negativan za potrošene reagense.[7]
Različiti elementi imaju različite atomske mase, a kao zbirovi pojedinačnih atoma, molekuli imaju određenu molarnu masu, koja je merena jedinicom mola (6,02 × 1023 pojedinačnih molekula, a naziva se Avogadrova konstanta). Po definiciji, ugljenik-12 ima molarnu masu od 12 g/mol. Tako se izračunava stehiometrija mase, gde je broj molekula potrebnih za svaki reagens izražen u molovima i pomnožen sa molarnom masom svakog reagensa po molu reakcije. Odnosi masa mogu se izračunati deljenjem svakog od njih i ukupnom masom cele reakcije. Elementi u svom prirodnom stanju su smese izotopa s različitom masom, čime se pokazuje da atomske mase, a time i molarne mase nisu baš celi brojevi. Na primer, umesto tačne proporcije 14:3, dobije se 17,04 kg amonijaka 14,01 kg azota i 3 × 1,01 kg vodonika, jer prirodni azot sadrži male količine azot-15, a prirodni vodonik sadrži vodonik-2 (deuterijum).
Stehiometrijski reagens je onaj reagens koji se troši u reakciji, za razliku od katalitskog reagensa, koji se u ukupnoj reakciji ne troši, jer reaguje u jednom koraku, a zatim se i obnavlja u još jednom.
Pretvaranje grama u molove uredi
Stehiometrija se ne koristi samo za uravnotežavanje hemijske jednačine, nego i u pretvaranju grama supstance u molove ili grama u mililitre. Na primer, da bi se pronašao iznos NaCl (natrijum hlorida) u 2,00 g supstance, treba učiniti sledeće:
U gornjem primeru, kada je napisan u delimičnom obliku, grami čine umnožavajuċi pojam, koji je jednak veličini 1 (g/g = 1) sa rezultirajućim iznosom u molovima (jedinici koja je potrebna), kao što je prikazano u sljedećoj jednačini:
Molarna proporcija uredi
Stehiometrija se često koristi za uravnotežavanje hemijske jednačine (stehiometrijska reakcija). Na primer, dva diatomska molekula gasa, vodonika i kiseonika, mogu se sjediniti pri čemu se dobije tečna voda, u egzotermnoj reakciji, a prema sledećoj jednačini:
- 2 H
2 + O
2 → 2 H
2O
Stehiometrijska reakcija u gornjoj jednačini opisuje da je odnos vodonika, kiseonika i molekula vode 2:1:2.
Molarni odnos omogućava pretvaranje između molova jedne supstance u molove drugog. Na primer, u reakciji:
- 2 CH
3OH + 3 O
2 → 2 CO
2 + 4 H
2O
Količina vode koja se proizvodi potrošnjom 0,27 mola CH
3OH, dobija se primenom molskog odnosa između CH
3OH i H
2O od 2 do 4.
Naziv stehiometrija se takođe često koristi za molarne proporcije elemenata u stehiometrijskom jedinjenju (kompozicijska stehiometrija). Na primer, stehiometrija vodonika i kiseonika u H2O je 2:1. U stehiometrijskom jedinjenju, molarne proporcije su celi brojevi.
Određivanje iznosa proizvoda uredi
Stehiometrija se takođe može upotrebiti za pronalaženje količine proizvoda reakcija. Ako se komad čvrstog bakra (Cu) doda u vodeni rastvor srebro nitrata (AgNO3), u reakciji jednostrukog premeštanja, stvaraju se vodeni bakar(II) nitrat (Cu(NO3)2) i čvrsto srebro (Ag). Koliko se dobije srebra, ako se 16,00 grama Цу doda u rastvor, za pojavu viška srebrenog nitrata? U traženju odgovora se primenjuju sledeći koraci:
- Napisati i uravnotežiti jednačinu;
- Izraziti masu u molima: pretvaranjem grama Cu u molove Cu;
- Naći molni odnos: pretvaranjem molova Cu u molove proizvedenog Ag;
- Odrediti molove u masi: pretvaranjem molova Ag u grame proizvedenog Ag.
Potpuno uravnotežena jednačina je:
- Cu + 2 AgNO
3 → Cu(NO
3)
2 + 2 Ag
U koraku masa-mol, masa bakra (16,00 g) se pretvara u molove bakra deljenjem mase bakra njegovom molekulskom masom: 63,55 g/mol.
Zatim se, preko iznosa Cu u molovima (0,2518), traži molski odnos. To se izražava kao koeficijent u balansiranoj reakciji: Cu i Ag su u odnosu 1:2.
Sada, kada je poznata količina proizvedenog Ag = 0,5036 mol, ovaj iznos se pretvara u grame proizvedenog Ag i dolazi se do konačnog odgovora:
Ovaj skup proračuna može se dalje sažeti u jednostruki korak:
Ostali primeri uredi
Za propansku (C3H8) reakciju sa gasovitim kiseonikom (O2), uravnotežena hemijska jednačina je:
- C
3H
8 + 5 O
2 → 3 CO
2 + 4 H
2O
Masa vode se dobije ako 120 g propana (C3H8) izgori u višku kisika, tj. tada:
- .
Stehiometrijski odnos uredi
Stehiometrija se koristi i za pronalaženje pravog iznosu jednog reagensa da „potpuno” reaguje s drugim reagensom u hemijskoj reakciji, tj. stehiometrijske količine ćiji ostaci reagenasa ċe se potrošiti kada se reakcija odvije. Jedan primer je prikazan ispod, koristeći reakciju stvaranja legure željezo – aluminijum:
- Fe
2O
3 + 2 Al → Al
2O
3 + 2 Fe
Ova jednačina pokazuje da će 1 mol gvožđe(III) oksida i 2 mola aluminijuma proizvesti 1 mol aluminijum oksida i 2 mola željeza. Tako, za kompletnu reakciju 85,0 g gvožđe(III)-oksida (0,532 mola), potrebno 28,7 g (1,06 mola) aluminijuma.
- .
Različite stehiometrije u konkurentskim reakcijama uredi
Često je moguće više od jedne reakcije sa istim početnim materijalima. Reakcije se mogu razlikovati po svojoj stehiometriji. Na primer, metilacija benzena (C
6H
6), kroz Fridel-Kraftsove reakcije koristeći AlCl
3 kao katalizator, može proizvesti jednostruko metilovani (C
6H
5CH
3), dvostruko metilovani (C
6H
4(CH
3)
2), ili još više metilovane C
6H
6-n(CH
3)
n) proizvode, kao što je prikazano u sledećem primeru,
- C
6H
6 + CH
3Cl → C
6H
5CH
3 + HCl - C
6H
6 + 2 CH
3Cl → C
6H
4(CH
3)
2 + 2 HCl - C
6H
6 + n CH
3Cl → C
6H
6-n(CH
3)
n + n HCl
U ovom primeru, koja reakcija se odvija je delimično kontrolisana relativnim koncentracijama reaktanata.
Reference uredi
- ^ 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. „IUPAC. Compendium of Chemical Terminology”. doi:10.1351/goldbook.. Entry: "stoichiometric number".
- ^ Simpson, Michael G. (2011). Plant Systematics. Academic Press. ISBN 0-08-051404-9. Pristupljeno 12. 2. 2014.
- ^ Campbell N. A.; et al. (2008). Biology. 8th Ed. Person International Edition, San Francisco. ISBN 978-0-321-53616-7.
- ^ Alberts B.; et al. (2002). Molecular Biology of the Cell, 4th Ed. Garland Science. ISBN 0-8153-4072-9.
- ^ Voet D., Voet J. G. Biochemistry, 3rd Ed.[publisher= Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.
- ^ Carmen J. Giunta Journal of Chemical Education 2016 93 (4), 583-586 „What’s in a Name? Amount of Substance, Chemical Amount, and Stoichiometric Amount”. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00690.
- ^ „stoichiometric number,”. iupac.org.
Literatura uredi
- Ilya Prigogine; R. Defay (1954). Chemical Thermodynamics. translated by D.H. Everett; Chapter IV. Longmans, Green & Co. Exceptionally clear on the logical foundations as applied to chemistry; includes non-equilibrium thermodynamics.
- Ilya Prigogine (1967). Thermodynamics of Irreversible Processes, 3rd ed. Interscience: John Wiley & Sons. A simple, concise monograph. Library of Congress Catalog No. 67-29540
- E.A. Guggenheim (1967). Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 5th ed. North Holland; John Wiley & Sons (Interscience). A remarkably astute treatise. Library of Congress Catalog No. 67-20003
- Zumdahl, Steven S. Chemical Principles. Houghton Mifflin, New York, 2005, pp 148-150.
- Internal Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood
Spoljašnje veze uredi
- Engine Combustion primer from the University of Plymouth
- Free Stoichiometry Tutorials from Carnegie Mellon's ChemCollective
- Stoichiometry Add-In for Microsoft Excel Архивирано на сајту Wayback Machine (11. мај 2011) for calculation of molecular weights, reaction coëfficients and stoichiometry.
- Reaction Stoichiometry Calculator a comprehensive free online reaction stoichiometry calculator.
- Stoichiometry Plus a stoichiometry calculator and more for Android.