Stoikiometria
Stoikiometria on aineen määrien kirjanpitoa tasapainotetun reaktioyhtälön avulla. Reaktiokertoimet kertovat moolisuhteet, mutta todellinen saanto riippuu lähtöaineiden määrästä, rajoittavasta reagenssista ja reaktion käytännön tehokkuudesta.
Tasapainotus
Reaktioyhtälö tasapainotetaan, jotta jokaisen alkuaineen atomimäärä ja kokonaisvaraus säilyvät. Kertoimet eivät muuta yhdisteiden kaavoja, vaan kertovat kuinka monta kaavayksikköä tai moolia osallistuu.
Moolisuhteet
Yhtälössä 2H₂+O₂→2H₂O suhde on 2:1:2. Jos käytössä on 3 mol O₂ ja ylimäärin H₂:ta, teoreettinen tuotemäärä on 6 mol H₂O:ta.
Massasta mooleiksi
Laboratoriossa lähtötieto on usein massa. Ensin n=m/M, sitten käytetään reaktiokertoimia ja lopuksi voidaan muuntaa tuotteen moolit takaisin massaksi.
Rajoittava reagenssi
Kun lähtöaineita on eri suhteessa kuin yhtälössä, verrataan kutakin saatavilla olevaa ainemäärää sen stoikiometriseen kertoimeen. Pienimmän mahdollisen reaktioetenemän antava aine on rajoittava.
Teoreettinen ja todellinen saanto
Teoreettinen saanto olettaa täydellisen reaktion ilman häviöitä. Prosenttisaanto on 100 %·todellinen/teoreettinen. Pienempi saanto voi johtua tasapainosta, sivureaktioista, puhdistushäviöistä tai mittausepävarmuudesta.
Liuosstoikiometria
Kun konsentraatio tunnetaan, n=cV. Titrauksessa tunnetun liuoksen moolit yhdistetään reaktiokertoimilla analyytin moolimäärään. Pelkkä c₁V₁=c₂V₂ ei sovi reaktiolle ilman stoikiometrista perustelua.
Tarkista yksiköt
Yleisimmät virheet ovat grammojen käyttäminen suoraan kertoimissa, tasapainottamaton yhtälö ja millilitrojen unohtaminen litroiksi. Yksikköanalyysi paljastaa usein virheen ennen lopputulosta.
Palamisanalyytiikka
Kun orgaaninen yhdiste palaa täydellisesti, CO₂:n ja H₂O:n määristä voidaan päätellä alkuperäisen näytteen hiilen ja vedyn määrä. Yhdistettynä näytteen massaan tämä voi johtaa empiiriseen kaavaan.
Empiirinen ja molekyylikaava
Empiirinen kaava antaa yksinkertaisimman kokonaislukusuhteen, molekyylikaava todellisen atomimäärän molekyylissä. Molekyylimassa tarvitaan usein erottamaan esimerkiksi CH₂O ja C₆H₁₂O₆ toisistaan.
Ainetase
Monimutkaisissa prosesseissa stoikiometria laajenee ainetaseeksi: sisään tuleva aine, ulos lähtevä aine, reaktiolla syntyvä tai kuluva aine ja mahdollinen kertymä on sovitettava yhteen. Sama periaate toimii laboratoriosta kemiantehtaaseen.
Harjoitus
2 mol N₂ reagoi reaktiossa N₂+3H₂→2NH₃ ylimääräisen H₂:n kanssa. Kuinka monta mol NH₃:a voi muodostua?
Ratkaisu
Kerroinsuhde N₂:NH₃ on 1:2, joten 2 mol N₂ voi muodostaa 4 mol NH₃:a.