Obliczenia stechiometryczne z równań reakcji

Obliczenia stechiometryczne pozwalają określić ilości substratów i produktów na podstawie równania reakcji chemicznej. Ilości te można wyrażać jako liczbę moli, masę, liczbę drobin albo objętość gazu.

Podstawą jest zawsze poprawnie zapisane i uzgodnione równanie reakcji. Współczynniki stojące przed wzorami informują o stosunku molowym substancji. Przykładowo w równaniu $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ dwa mole wodoru reagują z jednym molem tlenu i tworzą dwa mole wody.

Liczbę moli oznaczamy symbolem $n$, masę substancji symbolem $m$, a masę molową symbolem $M$. Zależność między tymi wielkościami wyraża wzór:

$$n = \frac{m}{M}$$

Po przekształceniu można obliczać także masę:

$$m = nM$$

Masę molową związku oblicza się, dodając masy atomowe wszystkich atomów zapisanych we wzorze. Dla wody $M(H_2O) = 2 \cdot 1\ g/mol + 16\ g/mol = 18\ g/mol$. Zatem $36\ g$ wody odpowiada $2\ mol$.

W obliczeniach należy pilnować jednostek. Jeśli masa jest podana w gramach, masa molowa powinna być wyrażona w $g/mol$.

Po obliczeniu liczby moli danej substancji wykorzystuje się proporcję wynikającą ze współczynników równania. Dla reakcji $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ stosunek molowy wynosi $1:3:2$.

Oznacza to, że:

• $1\ mol$ azotu reaguje z $3\ mol$ wodoru,
• z tych ilości powstają $2\ mol$ amoniaku,
• $2\ mol$ azotu wymagają $6\ mol$ wodoru i dają $4\ mol$ amoniaku.

Można stosować proporcję albo mnożnik wynikający ze stosunku współczynników. Jeżeli dane dotyczą masy, najpierw trzeba obliczyć mole, następnie użyć proporcji molowej, a na końcu przeliczyć wynik na masę.

W szkolnych zadaniach warunki normalne oznaczają temperaturę $0^\circ C$ i ciśnienie $1013\ hPa$. W tych warunkach jeden mol dowolnego gazu zajmuje objętość molową $V_m = 22{,}4\ dm^3/mol$.

Do obliczeń stosuje się zależności:

$$V = nV_m$$

oraz

$$n = \frac{V}{V_m}$$

Przykładowo $44{,}8\ dm^3$ gazu w warunkach normalnych odpowiada $2\ mol$, ponieważ $44{,}8/22{,}4 = 2$.

Jeżeli wszystkie gazy występujące w reakcji są mierzone w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem, ich objętości pozostają w takim samym stosunku jak współczynniki stechiometryczne. Dla reakcji $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ gazowe reagenty występują więc w stosunku objętości $2:1$.

Typowe zadanie stechiometryczne rozwiązuj według kolejnych etapów:

• Zapisz reakcję i uzgodnij jej równanie.
• Wypisz dane oraz szukaną wielkość.
• Oblicz masę molową potrzebnych substancji.
• Przelicz daną masę lub objętość gazu na mole.
• Zastosuj stosunek molowy wynikający ze współczynników.
• Przelicz otrzymaną liczbę moli na masę albo objętość.
• Sprawdź jednostkę i sens otrzymanego wyniku.

Przy zadaniach dotyczących gazów najpierw upewnij się, czy podano warunki normalne. Przy zadaniach masowych nie wolno porównywać bezpośrednio mas substratów i produktów na podstawie samych współczynników, ponieważ różne substancje mają różne masy molowe.

Częsty błąd polega na pominięciu przeliczenia na mole. Równanie nie mówi na ogół, że reagują dane liczby gramów, lecz że reagują określone liczby moli.