1. Stechiometria

Stechiometria to dział chemii określający stosunki ilościowe między składnikami związków chemicznych oraz między reagentami w reakcjach chemicznych.

2. Prawa stechiometryczne

Podstawą obliczeń stechiometrycznych jest znajomość praw stechiometrycznych:

• prawo zachowania masy,
• prawo stałości składu,
• prawo stosunków objętościowych,
• prawo działania mas.

2.1. Prawo zachowania masy

Źródło: Oficyna Pazdro, Reakcja magnezu z bromem kontrolowana za pomocą wagi laboratoryjnej: Doświadczenie 6.11, 02.11.2017
[dostęp: 21.04.2023]. Dostępne w YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=qzq9Ay4paaw. 

2.2. Prawo stałości składu (prawo stosunków stałych)

Skład procentowy związku chemicznego to wykaz zawartości procentowych poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład tego związku.

Zawartość procentowa pierwiastka (%E) to wyrażony w procentach stosunek masy tego pierwiastka (m_E) w danej próbce do masy całej próbki (m):

Stosunek mas pierwiastków jakie wchodzą w skład związku chemicznego jest wartością stałą, niezależną od warunków powstawania tego związku, ani o miejsca jego pochodzenia.

Stosunkowo nieliczne wyjątki zwane bertolidami lub związkami niestechiometrycznymi, dotyczą niektórych substancji w stanie stałym.

2.3. Prawo stosunków objętościowych

2.4. Prawo działania mas

3. Liczność materii

Miarą liczebności materii jest mol, czyli ilość substancji, która zawiera taką liczbę atomów, cząsteczek, jonów bądź innych cząsteczek materialnych, ile atomów znajduje się w 12 g węgla ¹²C. 

(drobin lub ich zdefiniowanych zespołów np. jednostek formalnych, par jonów; ale również cząstek subatomowych, fotonów i innych).

Ilość ta nosi nazwę liczby Avogadra i jest oznaczana literą N_a.

Oprócz liczby Avogarda w fizyce i chemii stosuje się też termin stała Avogadra, która różni się od liczby Avogadra jednostką. Liczba Avogadra jest wielkością bezwymiarową, a stała Avogadra to 6.02 · 10²³ mol^-1 (na mol) .

 Nurtuj Cię pytanie Dlaczego chemicy używają pojęcia mol? Obejrzyj film, może uzyskasz odpowiedź.

Film: Ustalanie wzorów rzeczywistych i empirycznych – ćwiczenia*. Źródło:  LEARNETIC SA, licencja: CC BY-SA 4.0.

3.1. Masa mola i objętość mola

Korzystając z poniższych wzorów można ustalić ile wynosi masa jednego mola obiektów mikroświata.

Przeanalizujmy przykład:

Ile wynosi masa jednego mola cząsteczek amoniaku o wzorze NH₃?

Masa mola cząsteczek jest iloczynem masy pojedynczej cząsteczki i liczby cząsteczek w mol.

Masa mola substancji wyrażona w gramach jest równa liczbowo masie atomowej lub cząsteczkowej.

Objętość mola zależy od gęstości substancji:

3.2. Masa molowa i objętość molowa

Masą jednego mola atomów, cząsteczek, jonów bądź innych cząstek materialnych wyrażoną w gramach nazywa się masą molową danej substancji. Jest ona oznaczana dużą literą M i wyrażana w g · mol^-1.

Ponieważ liczba atomów, cząsteczek, jonów bądź innych cząstek materialnych zawarta w jednym molu dowolnej substancji jest równa liczbie Avogadra: 

N_a = 6,023 * 10²³

Istnieje zależność:

M = N_a · m

gdzie: M - oznacza masę molową, a m bezwzględną masę atomu, cząsteczki, jonu bądź innej cząstki materialnej.

Wartość liczbowa masy molowej w g · mol^-1 równa się wartości liczbowej względnej masy atomowej pierwiastka lub względnej masy cząsteczkowej związku albo wartości liczbowej względnej masy cząsteczkowej wynikającej ze wzoru sumarycznego związku chemicznego.

Obejrzyj film Obliczenia mas molowych związków chemicznych, a zobaczysz jak w praktyce można obliczyć masę molową.

Film: Obliczenia mas molowych związków chemicznych*. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

_________________
* Materiały zamieszczone na Zintegrowanej Platformie Edukacyjnej.

3.3. Zasada Avogadro i równanie Clapeyrona

Mol każdego gazu zajmuje taką samą objętość w danych warunkach ciśnienia i temperatury.

Równanie Clapeyrona (równanie stanu gazu doskonałego)

p∙V=n∙R∙T

p – ciśnienie, V – objętość, n – liczność materii, R – stała gazowa (R=8.31Pa·m³·mol^-1·K^-1), T – temperatura termodynamiczna [K]

4. Stechiometria wzoru chemicznego

Grafika: Wzór na obliczenie zawartości procentowej danego pierwiastka w związku chemicznym*. 
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

4.1. Wzór elementarny i wzór rzeczywisty

Wzór elementarny (empiryczny, najprostszy) – wzór, w którym indeksy stechiometryczne pozostają w stosunku możliwie najmniejszych liczb całkowitych.

Wzór rzeczywisty – ustalamy znając wzór elementarny i masę cząsteczkową związku, jest to wzór sumaryczny, określający faktyczne liczby atomów w cząsteczce danego związku chemicznego.

Obejrzyj film Ustalanie wzorów rzeczywistych i empirycznych – ćwiczenia, a zobaczysz jak w praktyce można ustalić wzór rzeczywisty i empiryczny związku chemicznego.

Film: Ustalanie wzorów rzeczywistych i empirycznych – ćwiczenia*. 
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Piotr Dzwoniarek, licencja: CC BY-SA 3.0.

_________________
* Materiały zamieszczone na Zintegrowanej Platformie Edukacyjnej.

5. Reakcje chemiczne i stechiometria równań reakcji chemicznych

Przemiana fizyczna a przemiana chemiczna

Grafika: Zjawisko fizyczne a przemiana chemiczna*. 
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Reakcje chemiczne to procesy, w czasie których substancje reagujące ze sobą ulegają przemianom, prowadzącym do powstawania nowych substancji o odmiennych własnościach fizycznych i chemicznych. Reakcje chemiczne zapisuje się w sposób skrócony równaniem reakcji. Równania podają rodzaje i ilości substancji reagujących (substratów) oraz substancji powstających w wyniku reakcji (produktów)

Sposób zapisu reakcji chemicznych:

• słownie (np. dwie dwuatomowe czasteczki wodoru reagują z jedną dwuatomową czasteczką tlenu, tworząc dwie cząsteczki wody)
• za pomocą symboli: 2H₂ + O₂→ 2 H₂O
• graficznie

Grafika: Poprawnie uzgodnione równanie reakcji chemicznej*. 
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Grafika: Typy reakcji chemicznych*. 
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Inne kryteria podziału reakcji chemicznych

Ze względu na wystąpienie efektu energetycznego:

Grafika: Reakcje egzo- i endotermiczne*. 
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

W zależności od ilości faz, w których występują reagenty reakcje chemiczne dzielimy na:

• homogeniczne,
• heterogeniczne.

W zależności czy reakcja jest odwracalna, czy nieodwracalna:

• reakcje chemiczne, które dobiegają do końca, aż do całkowitego zużycia się któregoś z substratów, nazywamy reakcjami nieodwracalnymi lub jednokierunkowymi, np. reakcje spalania lub wydzielania się osadu.
• reakcje odwracalne natomiast mogą przebiegać zarówno w jednym, jak i w przeciwnym kierunku według tego samego równania. Reakcja odwracalna w żadnym kierunku nie przebiega do końca, powstające produkty reagują ze sobą i zmieniają się z powrotem w substraty. Między substratami i produktami ustala się stan równowagi dynamicznej.

Podstawą do wykonania obliczeń stechiometrycznych jest znajomość przebiegu reakcji chemicznej – w najprostszym przypadku – znajomość równania reakcji.

5.1. Stechiometria równań chemicznych

Stosunek stechiometryczny reagentów

Stosunki ilościowe między reagentami (stosunki stechiometryczne reagentów), oblicza się na podstawie równania przebiegu reakcji chemicznej, ponieważ substancje reagują ze sobą w ściśle określonym stosunku ilościowym, charakterystycznym dla danej reakcji. Jak również powstające produkty pozostają do siebie i do substratów w ściśle określonych stosunkach.

Stechiometria pozwala na obliczenie ilości substratów potrzebnych do otrzymania pożądanej ilości produktów reakcji oraz ilości produktów, którą można otrzymać z określonych ilości substratów.

Masowy stosunek stechiometryczny reagentów

Grafika: oprac. Sylwia Zelek-Pogudz, licencja CC BY-SA 4.0 
[na podst. Poprawnie uzgodnione równanie reakcji chemicznej*.
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.].

Molowy stosunek stechiometryczny reagentów

Grafika: oprac. Sylwia Zelek-Pogudz, licencja CC BY-SA 4.0 
[na podst. Poprawnie uzgodnione równanie reakcji chemicznej*.
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.]

Objętościowy stosunek stechiometryczny reagentów

Grafika: oprac. Sylwia Zelek-Pogudz, licencja CC BY-SA 4.0 
[na podst. Poprawnie uzgodnione równanie reakcji chemicznej*. 
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.]

Słuszne jedynie gdy objętości są odniesione do takich samych warunków ciśnienia i temperatury.

Liczby określające molowy i objętościowy stosunek stechiometryczny reagentów gazowych są równe współczynnikom stechiometrycznym równania chemicznego.

5.2. Przebieg reakcji po zmieszaniu substratów w stosunku niestechiometrycznym

W przypadku zmieszania reagentów w stosunku niestechiometrycznym reakcja może przebiegać tylko do momentu wyczerpania się jednego reagenta i w konsekwencji ten reagent decyduje o ilości powstających produktów.

6. Bibliografia

Ikona (źródło): Reshot