Стехиометрия — это раздел химии, который изучает количественные соотношения между веществами, участвующими в химических реакциях. Это важный инструмент для понимания и предсказания химических процессов.

Основные понятия стехиометрии:

• Химическая формула — это способ записи состава вещества с помощью химических символов и индексов. Например, формула воды — H₂O, где H обозначает атом водорода, а O — атом кислорода.
• Коэффициент — число перед химической формулой, которое указывает количество молекул или атомов вещества. Например, в реакции 2H₂ + O₂ = 2H₂O коэффициенты 2 и 2 указывают на то, что в реакции участвуют две молекулы водорода и две молекулы воды.
• Молекулярная масса — масса одной молекулы вещества, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, молекулярная масса воды равна 18 а.е.м.
• Моль — количество вещества, содержащее столько же частиц (атомов, молекул или ионов), сколько атомов содержится в 12 граммах углерода-12.
• Молярная масса — масса одного моля вещества, выраженная в граммах на моль (г/моль). Например, молярная масса воды равна 18 г/моль.

Основные законы стехиометрии

1. Закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
2. Закон постоянства состава: каждое химическое соединение имеет постоянный состав, независимо от способа его получения.
3. Закон эквивалентов: вещества реагируют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. Эквивалент — это количество вещества, которое может замещать один моль атомов водорода в химических реакциях или присоединять или замещать один моль электронов в окислительно-восстановительных реакциях.
4. Закон кратных отношений: если два элемента образуют между собой несколько химических соединений, то массовые доли одного из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа.
5. Закон Авогадро: в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.
6. Уравнение химической реакции — это запись химической реакции с помощью химических формул и математических символов. Оно показывает, какие вещества вступают в реакцию и какие вещества образуются в результате реакции. Например:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Это уравнение показывает, что две молекулы водорода (H₂) реагируют с одной молекулой кислорода (O₂) с образованием двух молекул воды (H₂O).

Расчёты по уравнениям химических реакций

Для проведения расчётов по уравнениям химических реакций необходимо знать следующие величины:

• Молярные массы веществ.
• Коэффициенты перед формулами веществ в уравнении реакции.
• Условия задачи (масса, объём или количество вещества одного из реагентов).

На основе этих данных можно провести следующие расчёты:

1. Расчёт массы продукта реакции по массе реагента:Пусть дана реакция: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Если известна масса водорода (например, 2 грамма), можно рассчитать массу воды, которая образуется в результате реакции:

   • Найдём количество вещества водорода:

     n(H₂) = m(H₂)/M(H₂), где m(H₂) — масса водорода, M(H₂) — молярная масса водорода.

   • Подставим значения:

     n(H₂) = 2 г / 2 г/моль = 1 моль.

   • По уравнению реакции видно, что из 2 молей водорода образуется 2 моля воды. Значит, n(H₂O) = n(H₂).

   • Масса воды равна: m(H₂O) = n(H₂O) * M(H₂O), где M(H₂O) — молярная масса воды.

   Таким образом, m(H₂O) = 1 моль * 18 г/моль = 18 г.

2. Расчёт объёма продукта реакции по объёму реагента:

   Пусть дана реакция 2H₂ + O₂ → 2H₂O и известен объём водорода (например, 5 литров). Можно рассчитать объём воды, который образуется в результате реакции:

   • Найдём количество вещества водорода: n(H₂) = V(H₂)/V₀, где V(H₂) — объём водорода, V₀ — молярный объём (22,4 л/моль при нормальных условиях).

   n(H₂) = 5 л / 22,4 л/моль ≈ 0,223 моль.

   По уравнению реакции из 2 моль водорода образуется 2 моль воды. Значит, n(H₂O) = n(H₂).

   Объём воды равен: V(H₂O) = n(H₂O) V₀ = 0,223 моль 22,4 л/моль = 4,988 л.

3. Расчёт количества вещества продукта реакции по количеству вещества реагента:

   Пусть дана реакция 2H₂ + O₂ → 2H₂O и известно количество вещества водорода (например, 0,3 моль). Можно рассчитать количество вещества воды, которое образуется в результате реакции:

   По уравнению реакции из 2 моль водорода образуется 2 моль воды. Значит, n(H₂O) = n(H₂) = 0,3 моль.

4. Расчёт выхода продукта реакции:

   Выход продукта реакции — это отношение реально полученного количества продукта к теоретически возможному количеству продукта. Он выражается в процентах или долях единицы.

   Например, пусть дана реакция H₂ + Cl₂ → 2HCl, и известно, что теоретически возможно получить 100 грамм HCl. Однако в результате эксперимента было получено только 80 грамм HCl. Тогда выход продукта реакции равен:

   η = m(полученный продукт) / m(теоретически возможный продукт) 100% = 80 г / 100 г 100% ≈ 80%.

   Это означает, что выход продукта реакции составляет 80% от теоретически возможного.

Задачи на стехиометрию

Пример 1:

Дано уравнение реакции: 2Al + 3S → Al₂S₃. Найти массу сульфида алюминия, если известно, что в реакцию вступило 108 грамм алюминия.

Решение:

По уравнению реакции, из 2 молей алюминия образуется 1 моль сульфида алюминия. Найдём количество вещества алюминия:

n(Al) = m(Al)/M(Al), где m(Al) — масса алюминия, M(Al) — молярная масса алюминия.

n(Al) = 108 г / 27 г/моль ≈ 4 моль.

Значит, n(Al₂S₃) = n(Al)/2 = 4 моль / 2 = 2 моль.

Масса сульфида алюминия равна:

m(Al₂S₃) = n(Al₂S₃)*M(Al₂S₃), где M(Al₂S₃) — молярная масса сульфида алюминия.

M(Al₂S₃) = (227 + 332) г/моль = 150 г/моль

m(Al₂S₃) = 2 моль * 150 г/моль ≈ 300 г.

Ответ: масса сульфида алюминия составляет примерно 300 грамм.

Пример 2:

Вычислите массу воды и массу оксида кальция, образующихся при сгорании 10 граммов кальция.

Решение:

Дано: m(Ca) = 10 г

Уравнение реакции: 2Ca + O₂ → 2CaO

Найти: m(H₂O), m(CaO)

Решение:

1) Найдём количество вещества кальция:

n(Ca) = m(Ca)/M(Ca), где M(Ca) — молярная масса кальция

n(Ca) = 10 г / 40 г/моль ≈ 0,25 моль

2) По уравнению реакции, при сгорании 2 молей кальция образуется 2 моля оксида кальция. Значит,

n(CaO) = n(Ca) = 0,25 моль.

3) Масса оксида кальция равна:

m(CaO) = M(CaO)*n(CaO), где M(CaO) — молярная масса оксида кальция

M(CaO) = (40+16) г/моль = 56 г/моль

m(CaO) = 56 г/моль * 0,25 моль ≈ 14 г

4) Из уравнения реакции видно, что при сгорании кальция образуется такое же количество вещества оксида кальция и воды. Значит:

n(H₂O)=n(Ca)=0,25моль