Τι είναι η Στοιχειομετρία;
Τι είναι η στοιχειομετρία; Ακούγεται σαν ένα τρομακτικό επιστημονικό θέμα. Ωστόσο, είναι μια απλή έννοια που είναι εξαιρετικά σημαντική για τη χημεία. Η στοιχειομετρία εξετάζει τη σχέση μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων σε χημικές αντιδράσεις. Ποσοτικά, είναι η σχέση μεταξύ του αριθμού των σπίλων — και επομένως, της μάζας.
Οι αντιδράσεις πρέπει να είναι ισορροπημένες. Πρέπει να έχει τον ίδιο αριθμό ατόμων στα προϊόντα όπως και στα αντιδρώντα. Εάν η αντίδραση δεν είναι ισορροπημένη, δεν μπορείτε να αντλήσετε πληροφορίες σχετικά με τη σχέση. Η στοιχειομετρία μπορεί να σας βοηθήσει να προσδιορίσετε πόση ποσότητα αντιδραστηρίου χρειάζεστε για να δημιουργήσετε ένα τελικό προϊόν. Μπορεί επίσης να σας βοηθήσει να καταλάβετε με πόσα χρήματα ξεκινήσατε.
Τι είναι μια χημική αντίδραση;
Με απλά λόγια, μια χημική αντίδραση συμβαίνει όταν ένα σύνολο χημικών ουσιών μετατρέπεται σε ένα άλλο. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων αλλάζουν, μπορούν να σπάσουν και να αναδιαταχθούν για να σχηματίσουν νέους. Το αποτέλεσμα έχει εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Σκεφτείτε το σαν να φτιάχνετε μπράουνις.
Ξεκινάτε με καθημερινά υλικά όπως αλεύρι, κακάο και αυγά. Ωστόσο, όταν τα συνδυάζετε, αλλάζουν για να σχηματίσουν μια νέα ουσία - μια νόστιμη απόλαυση. Τι είναι η στοιχειομετρία και πώς σχετίζεται με τις χημικές αντιδράσεις; Για να γίνετε ειδικός, θα πρέπει να κατανοήσετε μερικές βασικές έννοιες, όπως:
- Χημικές εξισώσεις εξισορρόπησης
- Εύρεση και υπολογισμός μοριακής μάζας
- Υπολογισμός μοριακών αναλογιών
Τι είναι μια ισορροπημένη εξίσωση;
Για να καταλάβετε πόση ποσότητα αντιδραστηρίου χρειάζεστε στη στοιχειομετρία, πρέπει να εξισορροπήσετε τη χημική εξίσωση. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της μάζας, που ανακαλύφθηκε από τον Antoine Lavoisier το 1789, τα άτομα δεν καταστρέφονται ούτε δημιουργούνται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Εξαιτίας αυτού, μια ισορροπημένη εξίσωση πρέπει να έχει τον ίδιο αριθμό ατόμων τόσο στη δεξιά όσο και στην αριστερή πλευρά. Για παράδειγμα, μια εξίσωση ισορροπίας μπορεί να μοιάζει με αυτό:
2H2 + O2 =2H2 O
Θα δείτε ίσο αριθμό ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου σε κάθε πλευρά της εξίσωσης.
Πώς να εξισορροπήσετε τις εξισώσεις
Το πρώτο βήμα σε οποιοδήποτε πρόβλημα στοιχειομετρίας είναι η εξισορρόπηση της εξίσωσης. Αλλά πώς μπορείτε να ολοκληρώσετε αυτό το έργο, ειδικά εάν οι χημικές σας εξισώσεις είναι απίστευτα ανισόρροπες ή πολύπλοκες; Δείτε αυτόν τον τύπο που εξηγεί πώς οξειδώνεται ο σίδηρος όταν έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο:
Fe + O 2 →Φε 2 Ο 3
Δείτε πώς είναι ανισόρροπο; Ο συνδυασμός ενός μεμονωμένου ατόμου σιδήρου (FE) με δύο άτομα οξυγόνου - επειδή το στοιχειακό οξυγόνο είναι πολύ προσκολλημένο και σχεδόν ποτέ δεν βρίσκεται μόνο του στη φύση - οδηγεί κατά κάποιο τρόπο σε δύο άτομα σιδήρου και τρία οξυγόνου. Δεν μπορείτε να προχωρήσετε στο επόμενο βήμα αν δεν έχετε τον ίδιο αριθμό μορίων και στις δύο πλευρές της εξίσωσης.
Εκεί μπαίνουν οι συντελεστές. Η τοποθέτηση αριθμημένων συντελεστών πριν από κάθε μόριο σάς επιτρέπει να πολλαπλασιάσετε τον αριθμό των συνολικών μορίων σε κάθε πλευρά της εξίσωσης, βρίσκοντας τελικά την ισορροπία. Για την παραπάνω εξίσωση, η εξισορρόπηση μπορεί να μοιάζει με αυτό:
4Fe +3O 2 →2 Fe 2 Ο 3
Τώρα, αν αθροίσετε τα άτομα σας και στις δύο πλευρές της εξίσωσης, έχετε τέσσερα άτομα σιδήρου και έξι άτομα οξυγόνου, που σας δίνει μια ισορροπημένη εξίσωση. Τώρα που ολοκληρώσατε το πρώτο βήμα στους υπολογισμούς της στοιχειομετρίας, μπορείτε να προχωρήσετε στο επόμενο βήμα.
Πώς να υπολογίσετε τη μοριακή μάζα
Μόλις εξισορροπηθεί η εξίσωση, μπορείτε να προχωρήσετε στο επόμενο βήμα, το οποίο είναι η μετατροπή των τιμών μάζας των αντιδρώντων σε mol. Τι είναι ο τυφλοπόντικας; Στη χημεία, δεν είναι μικρό τρωκτικό. Αντίθετα, είναι μια μονάδα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ποσότητας μιας ουσίας.
Ένα mole επιτρέπει στους χημικούς να μετρήσουν ίσες ποσότητες στοιχείων. Για να υπολογίσετε τη μοριακή μάζα ενός αντιδρώντος, πρέπει να προσθέσετε όλες τις ατομικές μάζες του μορίου.
Για παράδειγμα, ας πούμε ότι θέλετε να υπολογίσετε τη μοριακή μάζα του H2 Ο. Θα χρειαστεί να βρείτε την ατομική μάζα ενός ατόμου υδρογόνου. Χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα, ένα άτομο υδρογόνου είναι 1,008 . Δύο άτομα υδρογόνου έχουν μάζα διπλάσια αυτής της ποσότητας:2,016 . Τώρα ήρθε η ώρα να δούμε το οξυγόνο, το οποίο έχει ατομική μάζα 15,999 . Μαζί, 15.999 + 2.016 =18.015 . Επομένως, η μοριακή μάζα του νερού είναι 18,015 γραμμάρια ανά mole .
Τρόπος μετατροπής μεταξύ όγκου αερίου και τυφλοπόντικων
Η μετατροπή των σπίλων σας σε γραμμάρια είναι ένα ουσιαστικό μέρος των υπολογισμών της στοιχειομετρίας. Τι κάνετε όμως όταν τα στοιχεία με τα οποία εργάζεστε βρίσκονται σε αέρια κατάσταση; Μπορεί να ακούγεται σαν προβλήματα στοιχειομετρίας, αλλά έχουμε μια λύση — τον νόμο του ιδανικού αερίου.
Ο Νόμος του Ιδανικού Αερίου χρησιμοποιεί τον ακόλουθο τύπο…
PV=nRT
…να υπολογιστούν οι μακροσκοπικές ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου. Σε αυτήν τη ρύθμιση, η φράση "ιδανικό αέριο" αναφέρεται σε ένα αέριο που:
- Δεν έλκει ούτε απωθεί τα άτομα γύρω του.
- Δεν καταλαμβάνει χώρο ή δεν έχει ένταση.
Τώρα γνωρίζουμε ότι τα αέρια έχουν όγκο, καταλαμβάνουν χώρο και — εκτός από τα ευγενή αέρια — τείνουν να έλκονται ή να απωθούν το ένα το άλλο. Αλλά για ευκολότερους υπολογισμούς στοιχειομετρίας, μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα υλικά μας είναι ιδανικά.
Στον παραπάνω τύπο, n αντιπροσωπεύει τον αριθμό των σπίλων. Αναδιάταξη του τύπου προς επίλυση για n μας δίνει αυτό:
n =
Το P αντιπροσωπεύει την τρέχουσα ατμοσφαιρική πίεση. Το V σημαίνει τον όγκο (μετρούμενο σε λίτρα). T είναι η θερμοκρασία (μετρούμενη σε Kelvin) και R είναι η σταθερά του αερίου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, θα κάνετε αυτούς τους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Μια τυπική ατμοσφαιρική πίεση είναι 1 ατμόσφαιρα και μια τυπική θερμοκρασία είναι 273 Kelvin. Εάν έχετε ήδη τη σταθερά αερίου πρόχειρο, χρειάζεστε μόνο μία μεταβλητή — V, τον όγκο του αερίου σας — για να μετατρέψετε το αέριό σας σε mole για να ολοκληρώσετε τους υπολογισμούς.
Πώς να υπολογίσετε τις αναλογίες γραμμομορίων
Το επόμενο βήμα για την επίλυση μιας εξίσωσης είναι ο υπολογισμός των μοριακών αναλογιών. Αυτός ο αριθμός είναι η αναλογία μεταξύ των mol σε κάθε αντιδρών σε μια χημική αντίδραση. Και πάλι, εξετάστε την εξίσωση:2H2 + O2 =2H2 Ο . Σε αυτό το παράδειγμα, η μοριακή αναλογία είναι 1:2. Για κάθε δύο mole H2, υπάρχει ένα mole O2.
Ας φανταστούμε ότι προσπαθούμε να προσδιορίσουμε πόσο H2 χρειαζόμαστε για να δημιουργήσουμε ένα προϊόν. Γνωρίζουμε ότι έχουμε 25 γραμμάρια Ο2. Για να προσδιορίσουμε την απάντηση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη στοιχειομετρία. Αρχικά, πρέπει να μετατρέψουμε τα γραμμάρια σε mole όπως κάναμε νωρίτερα, υπολογίζοντας τη μοριακή μάζα.
Θα βρείτε 15,999 γραμμάρια ανά mole οξυγόνου. Επομένως, το O2 έχει μοριακή μάζα 31,998 γραμμάρια. Σε αυτό το παράδειγμα, έχουμε μόνο 25 γραμμάρια Ο2, καθιστώντας απαραίτητη τη διαίρεση του 25 με το 31,998, που ισούται με 0,7813 moles. Θυμηθείτε, για κάθε mole O2, υπάρχουν δύο mole H2.
Πάρτε τον προηγούμενο αριθμό - 0,7813 moles - και πολλαπλασιάστε τον με το 2, που είναι 1,57 moles. Γνωρίζουμε ότι η μοριακή μάζα του 2Η2 είναι 4,032. Για να μάθετε πόσα γραμμάρια χρειαζόμαστε, πάρτε τα 1,57 moles και πολλαπλασιάστε τα με 4,032. Ως αποτέλεσμα, χρειαζόμαστε 6,29 γραμμάρια H2.
Γιατί είναι σημαντική η στοιχειομετρία;
Τι είναι η στοιχειομετρία; Τώρα ξέρεις! Πώς όμως εφαρμόζεται στην πραγματική ζωή;
Αυτή η επιστήμη είναι χρήσιμη σε διάφορους τομείς. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ακόμη και στην κουζίνα ενώ μαγειρεύετε. Ας πούμε ότι έχετε σχεδόν τελειώσει ένα συγκεκριμένο συστατικό. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη στοιχειομετρία για να προσδιορίσετε πόση ποσότητα από κάθε άλλο φαγητό θα χρειαστείτε. Την επόμενη φορά που θα θέλετε να φτιάξετε μπράουνις και δεν έχετε αρκετό γάλα, μην απελπίζεστε. Αντίθετα, χρησιμοποιήστε αυτήν την ιδέα για να δημιουργήσετε μια νόστιμη απόλαυση.
Ένας αγρότης μπορεί να χρησιμοποιήσει στοιχειομετρία για να καθορίσει πόση ποσότητα λιπάσματος θα χρησιμοποιήσει. Ένας ταξιδιώτης μπορεί να καταλάβει πόσο γρήγορα πρέπει να πάει για να φτάσει κάπου σε μια συγκεκριμένη προθεσμία. Μπορείτε επίσης να το χρησιμοποιήσετε για να πραγματοποιήσετε μετατροπές μεταξύ συστημάτων, όπως Κελσίου και Φαρενάιτ.
Τώρα που καταλαβαίνετε τα βασικά της στοιχειομετρίας, μπορείτε να εμβαθύνετε σε πιο βαθιές έννοιες!
