Stechiometria Każdą reakcję chemiczną można zapisać równaniem, które jest jakościową i ilościową charakterystyką tej reakcji. Określa ono bowiem, jakie pierwiastki lub związki biorą udział w danej reakcji oraz w jakich stosunkach wagowych lub objętościowych reagują one ze sobą. Umożliwia to przeprowadzanie obliczeń, które noszą nazwę obliczeń stechiometrycznych. Wymagają one umiejętności poprawnego zapisu dowolnej reakcji chemicznej, jak również znajomości podstawowych praw chemii. Obliczanie składu ilościowego związku chemicznego Wzór dowolnego związku chemicznego podaje nam nie tylko jego skład jakościowy (z jakich pierwiastków jest zbudowana jego cząsteczka), ale także skład ilościowy. Na przykład wzór siarczanu(vi) sodu (Na 2 SO 4 ) wskazuje: po pierwsze, że związek ten składa się z sodu, siarki i tlenu, a po drugie, że 1 mol tego związku zawiera 2 mole sodu, 1 mol siarki i 4 mole tlenu. Pozwala to na obliczenie składu (w procentach wagowych) tego związku na podstawie jego wzoru: Mol soli (M s ) = 2 22,98 + 32,06 + 4 15,99 = 141,9 g mol Procentowa zawartość sodu (w molu tej soli są dwa mole sodu) wynosi: p Na (% Na ) = (2 MNa) / M soli = (2 22,98) 100 / 141,9 = 32,38 gdzie M Na oznacza mol sodu. Dla drugiego pierwiastka - siarki (w molu tej soli jest jeden mol siarki) zawartość procentowa wynosi: p S (% S) = M S / M soli = (32,06/141,9) 100 = 22,59 gdzie M S oznacza mol siarki. Zawartość procentowa trzeciego pierwiastka tlenu jest równa : p O (% O) = 100 - (p Na + p S ) = 100 - (32,38 + 22,59) = 45,03 Rozważmy dowolny związek chemiczny, składający się np. z trzech pierwiastków (oznaczamy je jako A, B, C), dla którego chcemy obliczyć skład procentowy na podstawie jego wzoru. Wówczas wzór ogólny możemy zapisać jako:
A m B n C p gdzie m, n, p są współczynnikami stechiometrycznymi pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki tego związku. Zawartość procentową poszczególnych pierwiastków A, B, C obliczamy, korzystając z następujących równań: p A (% A) = (m M A) 100 / M p B (% B) = (n MB) 100 / M p C (% C) = 100 - (p A + p B ) Z Z gdzie M A, M B, są masami molowymi odpowiednich pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki a Mz jest masą molową związku chemicznego, dla którego obliczamy skład procentowy. Niekiedy dla soli oblicza się nie zawartość procentową poszczególnych pierwiastków, ale udział procentowy zawartych w niej tlenków. Wówczas wzór chemiczny tej soli musimy przedstawić w formie tlenkowej. Na przykład: soli K 2 SO 4 odpowiada wzór tlenkowy K 2 O SO 3, soli K 2 CrO 4 odpowiada wzór tlenkowy K 2 O CrO 3. Ogólnie, dla dowolnej soli (tylko dla soli kwasów I tlenowych) wzór tlenkowy można zapisać jako: x moli tlenku A y moli tlenku B. Skład procentowy soli w przeliczeniu na tlenki oblicza się, korzystając z następujących wzorów: p tlenku A (% tlenku A ) =x (Mtlenku A / M soli) 100 p tlenku B (% tlenku B) = 100 - p tlenku A gdzie M tlenku A oznacza masę molową tlenku A. Podobnie można wzory chemiczne minerałów, na przykład wzór dolomitu: CaCO 3 MgCO 3 (węglan wapnia i magnezu)
przedstawić w formie tlenkowej jako: CaO MgO 2CO 2 {1 mol tlenku wapnia, 1 mol tlenku magnezu, 2 mole tlenku węgla(iv)}. Jeżeli dana substancja nie jest czystym związkiem chemicznym, to aby obliczyć procentową zawartość pierwiastków w tej substancji, konieczna jest znajomość zawartości (w %) czystego związku chemicznego. Wyprowadzanie wzoru empirycznego (uproszczonego) i rzeczywistego związku chemicznego na podstawie jego składu Znajomość składu procentowego związku chemicznego (zazwyczaj otrzymuje się go na drodze analizy ilościowej) pozwala na wyprowadzanie jego wzoru empirycznego. Wyraża on najprostszy skład atomowy mola danego związku chemicznego, odpowiadający jego składowi wagowemu. Rozważamy związek chemiczny składający się z trzech pierwiastków A, B, C, którego skład procentowy jest następujący: % pierwiastka A a, % pierwiastka B b, % pierwiastka C c, i w oparciu o te dane wyprowadzamy wzór empiryczny związku (A m B n C p, gdzie m, n, p są współczynnikami stechiometrycznymi w tym wzorze). Dane te pozwalają na wyznaczenie liczby moli poszczególnych pierwiastków A, B, C zgodnie z następującymi wzorami: m = a / M A, n = b / M B, p = c / M C gdzie M A, M B, M C są molami pierwiastków A, B, C. Stosunek otrzymanych z tych równań wartości m : n : p (doprowadzony do najprostszych liczb całkowitych) jest równy stosunkowi liczby moli pierwiastków A, B, C, a liczby m, n, p są współczynnikami stechiometrycznymi we wzorze empirycznym rozważanego związku chemicznego. Każdy związek chemiczny oprócz wzoru empirycznego posiada wzór rzeczywisty. Podanie tego wzoru dla związku chemicznego wymaga, obok wzoru empirycznego, znajomości wartości masy cząsteczkowej. Jest ona podana albo bezpośrednio, albo należy ją obliczyć na podstawie danych zawartych w zadaniu. Porównanie masy cząsteczkowej, obliczonej na podstawie wzoru empirycznego, z masą cząsteczkową danego związku pozwala określić rzeczywistą liczbę atomów poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki danego związku. W tym celu należy w oparciu o wzór empiryczny obliczyć masę cząsteczkową M e, a następnie podzielić rzeczywistą masę
cząsteczkową M rz przez tę wartość: M rz / M e = n Otrzymana wartość n jest liczbą, przez która należy pomnożyć współczynniki stechiometryczne we wzorze empirycznym, aby wyprowadzić wzór rzeczywisty danego związku chemicznego. Dla rozważanego przez nas przykładu związku o ogólnym wzorze A m B n C p (wzór empiryczny) możemy mieć dwa przypadki: a) gdy n = 1 wówczas wzór empiryczny jest identyczny ze wzorem rzeczywistym, b) gdy n jest różne od jedności, na przykład n = 2, wzór empiryczny nie jest wzorem rzeczywistym (należy współczynniki stechiometryczne we wzorze empirycznym pomnożyć przez liczbę n). Wzór rzeczywisty ma wówczas postać A 2m B 2n C 2p. Obliczenia na podstawie równań chemicznych Równanie chemiczne jest zapisem reakcji chemicznej, które nie tylko wskazuje substraty i produkty danej reakcji, ale podaje również stosunki molowe (wagowe), w jakich substancje reagują ze sobą. Na przykład równanie syntezy siarczku żelaza(ii) z pierwiastków można zapisać jako: Fe + S = FeS Równanie to wskazuje, że z 1 mola żelaza i 1 mola siarki (substraty reakcji) powstaje 1 mol siarczku żelaza(ii) (produkt reakcji). Można również powiedzieć, że 55,85 g żelaza całkowicie reaguje z 32,07 g siarki, dając 87,92 g siarczku. Dla reakcji zachodzących w stanie gazowym z równania reakcji chemicznych można odczytać dodatkowo stosunki objętościowe reagujących substancji. Na przykład reakcja syntezy chlorowodoru z chloru i wodoru zapisana równaniem: H 2 + Cl 2 = 2 Hcl wskazuje nie tylko, że 1 mol wodoru reaguje z 1 molem chloru, ale również, że 1 objętość wodoru reaguje z 1 objętością chloru, dając dwie objętości chlorowodoru lub, że 22,4 dm 3 wodoru reaguje z 22,4 dm 3 chloru, dając 44,8 dm 3 chlorowodoru (odnosi się to do warunków normalnych, przy założeniu, że gazy zachowują się jak gazy doskonałe). Rozwiązanie zadania stechiometrycznego wymaga: A. Poprawnie napisanego równania reakcji chemicznej (na podstawie treści zadania). Lewa strona
równania powinna zawierać wszystkie substraty reakcji, a prawa wszystkie jej produkty. B. Uzgodnienia tak napisanej reakcji chemicznej. C. Ułożenia odpowiedniej proporcji, w której z danych zawartych w zadaniu możemy obliczyć poszukiwaną ilość substratu lub produktu, wyrażoną w gramach, molach lub objętościach reagujących gazów (do tych obliczeń wykorzystujemy uzgodnione równanie danej reakcji chemicznej). D. W zadaniach, w których substratami lub produktami są gazy przyjmujemy, o ile nie zostało to w zadaniu inaczej określone, że gazy te zachowują się jak gazy doskonale (objętość 1 mola takiego gazu w warunkach normalnych wynosi 22,4 dm 3 ).