Παράδειγμα της αρχής της στοιχειομετρίας

ο αρχή στοιχειομετρίας είναι η χημική αρχή που αποδεικνύει ότι σε κάθε χημική αντίδραση, υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ του αριθμός ατόμων στα μόρια αντίδρασης και αριθμός ατόμων στα μόρια αντίδρασης παράγω.

Αυτή η αρχή βασίζεται στον νόμο της διατήρησης της ύλης, ο οποίος αναφέρει ότι ο ίδιος αριθμός ατόμων σε κάθε ένα Το στοιχείο σε δραστικές ουσίες θα διατηρηθεί στα προϊόντα αντίδρασης, αν και συνδυάζεται με διαφορετικούς τρόπους.

Όταν λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση, οι δεσμοί που σχηματίζουν τα μόρια των αντιδρώντων ενώσεων (τα αντιδραστήρια), διασπώνται και τροποποιούνται, δημιουργώντας μία ή περισσότερες ουσίες. Αν και τα μόρια είναι τροποποιημένα και δεν είναι πλέον τα ίδια, τα άτομα που τα σχηματίζουν συνδυάζονται σε ένα διαφορετικό, αλλά ο συνολικός αριθμός ατόμων διατηρείται, οπότε πρέπει να είναι ο ίδιος πριν και μετά το αντίδραση.

Για παράδειγμα στην ακόλουθη χημική αντίδραση:

HCl + NaOH -> NaCl + Η₂Ή

Σύμφωνα με την στοιχειομετρική αρχή, πρέπει να υπάρχει ο ίδιος αριθμός ατόμων σε κάθε πλευρά της εξίσωσης. Ας το δούμε για την εξίσωση που είδαμε:

HCl + NaOH	-->	NaCl + Η2Ή
Υδρογόνο = 2 Νάτριο = 1 Χλώριο = 1 Οξυγόνο = 1	= = = =	Υδρογόνο = 2 Νάτριο = 1 Χλώριο = 1 Οξυγόνο = 1

Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί

Οι στοιχειομετρικοί υπολογισμοί είναι οι πράξεις μέσω των οποίων επαληθεύουμε ότι η στοιχειομετρική αρχή πληρούται στις εξισώσεις, καθώς και στις πρακτικές εφαρμογές της.

Στο προηγούμενο παράδειγμα του συνδυασμού υδροχλωρικού οξέος και υδροξειδίου του νατρίου, για την παραγωγή χλωριούχου νατρίου και νερού, κάναμε ένα στοιχειομετρικός υπολογισμός ανά αριθμό ατόμων.

Μια άλλη μέθοδος ελέγχου είναι η στοιχειομετρικός υπολογισμός με μονάδες ατομικής μάζας, Στον οποίο ο υπολογισμός γίνεται με βάση το άθροισμα των ατομικών μαζών των στοιχείων που συνδυάζονται.

Αυτός ο υπολογισμός μπορεί να γίνει με τις απόλυτες μάζες ή με στρογγυλοποίηση. Στο παραπάνω παράδειγμα:

Υπολογισμός με απόλυτη μάζα σε δύο δεκαδικά ψηφία:

HCl + Na O H -> NaCl + H₂ Ή

(1.00 + 35.45) + (22.98 + 15.99 + 1.00) --> (22.98 + 35.45) + (2.00 + 15.99)

(36.45) + (39.97) --> (58.43) + (17.99)

76.42 --> 76.42

Υπολογισμός στρογγυλοποίησης ατομικής μάζας:

HCl + Na O H -> NaCl + H₂ Ή

(1 + 35) + (23 + 16 + 1) --> (23 + 35) + (2 + 16)

(36) + (40) --> (58) + (18)

76 --> 76

Εφαρμογές στοιχειομετρικών εξισώσεων

Μία από τις χρήσεις των στοιχειομετρικών εξισώσεων είναι η εξισορρόπηση εξισώσεων, το οποίο μπορεί να γίνει είτε με το Redox είτε με μεθόδους δοκιμής και σφάλματος, καθώς και στις δύο περιπτώσεις το Ο σκοπός είναι να ελεγχθεί ότι υπάρχει ο ίδιος αριθμός ατόμων κάθε στοιχείου στα αντιδραστήρια και στο προϊόντα.

Στο ακόλουθο παράδειγμα έχουμε τριχλωριούχο σίδηρο:

Fe + Cl2 = FeCl3

Fe + Cl2	-->	FeCl3
Σίδερο = 1 Χλώριο = 2	= ~	Σίδερο = 1 Χλώριο = 3

Σε αυτήν την περίπτωση γνωρίζουμε τους τύπους των αντιδρώντων μορίων: Σίδηρος (Fe) και Χλώριο (Cl₂και το προϊόν του: τριχλωριούχος σίδηρος (FeCl3₃και όπως βλέπουμε, ο αριθμός των ατόμων χλωρίου δεν είναι ο ίδιος και στις δύο εξισώσεις.

Για να εκπληρώσουμε τη στοιχειομετρική αρχή, πρέπει να βρούμε τον συνολικό αριθμό ατόμων που εμπλέκονται στην αντίδραση και το προϊόν, έτσι ώστε να είναι τα ίδια.

Για να το κάνουμε αυτό, χρησιμοποιούμε μία από τις μεθόδους εξισορρόπησης εξισώσεων (Redox, δοκιμή και σφάλμα). Σε αυτό το παράδειγμα θα χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος.

Το λιγότερο κοινό πολλαπλάσιο των 2 και 3 είναι 6. Αν πολλαπλασιάσουμε έτσι ώστε να υπάρχουν 6 άτομα χλωρίου σε κάθε πλευρά της εξίσωσης, θα έχουμε τα εξής:

Fe + 3Cl2	-->	2FeCl3
Σίδερο = 1 Χλώριο = 6	~ =	Σίδερο = 2 Χλώριο = 6

Έχουμε ήδη ισορροπήσει τα άτομα χλωρίου, αλλά τώρα χάνουμε ένα άτομο σιδήρου. Όπως μπορούμε να καταλάβουμε, το άτομο που λείπει βρίσκεται στην πλευρά του αντιδρώντος. Τότε θα έχουμε:

2Fe + 3Cl2	-->	2FeCl3
Σίδερο = 2 Χλώριο = 6	= =	Σίδερο = 2 Χλώριο = 6

Όπως μπορούμε να δούμε, έχουμε ήδη 6 άτομα χλωρίου που βρίσκονται σε 3 μόρια στα αντιδραστήρια και 6 άτομα κατανεμημένα σε ομάδες τριών ατόμων σε κάθε μόριο προϊόντος. Τώρα βλέπουμε ότι για να πάρουμε τον ίδιο αριθμό ατόμων σιδήρου στο προϊόν, χρειαζόμαστε δύο μόρια σιδήρου στα αντιδραστήρια. Έχουμε ισορροπήσει την εξίσωση.

Μια άλλη χρήση στοιχειομετρικών εξισώσεων είναι ο υπολογισμός των αντιδρώντων, και τα δύο προς αποφυγή απόβλητα οποιασδήποτε από τις ουσίες, όπως ο υπολογισμός της ποσότητας των ουσιών για την εξουδετέρωση ενός οξέος ή α βάση.

Αυτό επιτυγχάνεται μέσω του μοριακού υπολογισμού: Το άθροισμα των ατομικών μαζών καθενός από τα άτομα που απαρτίζουν ένα μόριο, δίνει ως αποτέλεσμα τη μοριακή του μάζα. Για παράδειγμα:

Αν ψάχνουμε για τη μοριακή μάζα του βορικού οξέος (τριοξοβορικό οξύ) του οποίου ο τύπος είναι: Η₃BO₃, υπολογίζουμε πρώτα τις μοριακές μάζες καθενός από τα συστατικά του, χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα:

Η₃ = (3)(1.00) = 3.00

Β = (1) (10.81) = 10.81

Ή₃ = (3)(15.99) = 47.94

Μοριακή μάζα = 61,78

Αυτό σημαίνει ότι 1 γραμμομόριο βορικού οξέος ισούται με 61,78 γραμμάρια.

Ο υπολογισμός των γραμμομορίων κάθε ένωσης θα μας χρησιμεύσει στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ακριβούς ποσότητας των δραστικών ουσιών, αμφότερες έτσι ώστε να μην τελειώσει ή να χρειαστεί κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, καθώς και να υπολογίσει πόση απόκτηση συγκεκριμένης ποσότητας προϊόντος.

Παράδειγμα:

Εάν χρησιμοποιούμε το προηγούμενο παράδειγμα χλωριούχου σιδήρου και θέλουμε να μάθουμε πόσο χλώριο υπάρχει να συνδυαστεί με 100 γραμμάρια σιδήρου και να μάθετε πόση ποσότητα τριχλωριούχου σιδήρου θα παράγει.

Η εξίσωση που εκφράζει την αντίδραση είναι η ακόλουθη:

2Fe + 3Cl₂ -> 2FeCl₃

Τώρα κάνουμε τον μοριακό υπολογισμό στρογγυλοποιώντας τις ατομικές μάζες:

Fe = 56

Κλ₂ = 70

FeCl₃ = 161

Μέχρι στιγμής έχουμε την αξία 1 mole κάθε ουσίας. Τώρα βλέπουμε ότι ο αριθμός που δείχνει τον αριθμό των αντιδραστικών μορίων και των προϊόντων ονομάζεται επίσης στοιχειομετρικός συντελεστήςκαι μας λέει πόσα γραμμομόρια αυτής της ουσίας αλληλεπιδρούν. Στην περίπτωση που ο συντελεστής είναι 1, δεν γράφεται.

Αντικαθιστώντας λοιπόν τις τιμές που θα έχουμε:

2Fe = 2 (56) = 112

3Cl₂ = 3(70) = 210

2FeCl₃ = 2(161) = 322

Εφαρμόζουμε τον κανόνα των τριών για τον υπολογισμό της μάζας του χλωρίου:

100/112 = x / 210

21000/112=187.5

Έτσι θα χρειαστούν 187,5 γραμμάρια χλωρίου για να αντιδράσουν πλήρως με το σίδηρο.

Τώρα εφαρμόζουμε τον κανόνα του 3 για τον υπολογισμό του προκύπτοντος προϊόντος:

100/112 = x / 322

32200/112=287.5

Έτσι θα παραχθούν 287,5 γραμμάρια τριχλωριούχου σιδήρου.

Εάν προσθέσουμε τα γραμμάρια που λαμβάνονται με τη σχέση, έχουμε ως αποτέλεσμα:

100 + 187.5 = 287.5

Με το οποίο ελέγχουμε ότι τα ποσά είναι σωστά.

Στοιχειομετρική σημειογραφία

Για να αποφευχθούν αμφιβολίες και σύγχυση κατά την έκφραση του ονόματος και της σύνθεσης των ενώσεων, στους διάφορους τύπους χημικής σημειογραφίας ανόργανων ενώσεων, Το IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) έχει προωθήσει τη χρήση στοιχειομετρικών σημειογραφιών, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε ακαδημαϊκούς και ερευνητικούς τομείς, με τα οποία αλλάζει η χρήση επιθημάτων ή λατινικών αριθμών, με τη χρήση ελληνικών αριθμητικών προθεμάτων που υποδεικνύουν τον αριθμό ατόμων κάθε στοιχείου που απαρτίζουν το μόρια. Στην περίπτωση ατόμων μονάδας, το πρόθεμα παραλείπεται.

Στη στοιχειομετρική σημειογραφία, αναφέρεται πρώτα το ηλεκτροθετικό στοιχείο ή το ιόν, ακολουθούμενο από το ηλεκτροαρνητικό.

Formula Old Notation Στοιχειομετρική σημειογραφία

FeO σιδηρούχο οξείδιο, οξείδιο σιδήρου οξείδιο σιδήρου

Πίστη₂Ή₃: Οξείδιο του σιδήρου, οξείδιο σιδήρου ΙΙΙ Τριοξείδιο του σιδήρου

Πίστη₃Ή₄: Τετραοξείδιο τρι-σιδήρου οξειδίου του σιδήρου IV

Παραδείγματα εφαρμογών της στοιχειομετρικής αρχής

Παράδειγμα 1: Ισορροπήστε την ακόλουθη εξίσωση:

HCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

Εφαρμογή της μεθόδου μείωσης οξειδίου (REDOX):

HCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

(+1-1)+(+4-4) --> (+2-2) + (+4-4)+ (-0)

Όπως μπορούμε να δούμε, το μαγγάνιο μειώθηκε από +4 σε +2.

Εάν εξετάσουμε τις τιμές για κάθε στοιχείο, εκτός από το μαγγάνιο, το οποίο έχει μειωθεί, βλέπουμε τις ακόλουθες τιμές

Στοιχεία που αντιδρούν προϊόντα

Υδρογόνο +1 +4

Χλώριο -1 -4

Οξυγόνο -4 -4

Τώρα πρέπει να ισορροπήσουμε τους αριθμούς, έτσι ώστε να έχουν τις ίδιες τιμές και στις δύο πλευρές της εξίσωσης. Δεδομένου ότι το χλώριο και το υδρογόνο βρίσκονται στο ίδιο μόριο, αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται 4 μόρια υδροχλωρικού οξέος για την εξισορρόπηση των τιμών:

4ΗCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

(+4-4)+(+4-4) --> (+2-2) + (+4-4)+ (-0)

Παράδειγμα 2: Στην παραπάνω εξίσωση:

4ΗCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

Υπολογίστε πόσα γραμμάρια διοξειδίου του μαγγανίου απαιτούνται για την παραγωγή 80 γραμμαρίων διχλωριούχου μαγγανίου.

Υπολογίζουμε πρώτα το μοριακό βάρος κάθε μορίου (θα στρογγυλοποιήσουμε με ολόκληρους αριθμούς):

HCl = 1 + 35 = 36 Χ 4 = 144

ΜΝΟ₂ = 55 + 16 + 16 = 87

MnCl₂ = 55 + 35 + 35 = 125

Η₂O = 1 + 1 + 16 = 18 Χ 2 = 36

Κλ₂ = 35 + 35 = 70

Εφαρμόζουμε τον κανόνα των τριών:

x / 87 = 80/125 = 6960/125 = 55,58

Έτσι θα χρειαστείτε 55,58 γραμμάρια διοξειδίου του μαγνησίου.

Παράδειγμα 3: Στην παραπάνω εξίσωση:

4ΗCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

Υπολογίστε πόσα γραμμάρια υδροχλωρικού οξέος απαιτούνται για την παραγωγή των 80 γραμμαρίων διχλωριούχου μαγγανίου.

Εφόσον γνωρίζουμε ήδη τις τιμές, εφαρμόζουμε τον κανόνα των τριών:

x / 144 = 80/125 = 11520/125 = 92,16

Θα πάρει 92,16 γραμμάρια υδροχλωρικού οξέος.

Παράδειγμα 4: Στην ίδια εξίσωση:

4ΗCl + MnO₂ -> MnCl₂ + 2Η₂Ο + Cl₂

Υπολογίστε πόσα γραμμάρια νερού παράγονται παράγοντας 125 γραμμάρια διχλωριούχου μαγγανίου.

Αντικαθιστούμε τις τιμές και εφαρμόζουμε τον κανόνα των τριών:

x / 36 = 125/125 = 4500/125 = 36

Θα παράγονται 36 γραμμάρια νερού.