Stoichiometrie

Een kloppende reactievergelijking is een hoeveelheidsverhouding

De coëfficiënten in een gebalanceerde vergelijking geven verhoudingen tussen aantallen deeltjes en dus tussen molhoeveelheden. In 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O reageren twee mol H₂ met één mol O₂ tot twee mol H₂O. De coëfficiënten zijn geen massa’s; grammen mogen niet rechtstreeks via 2:1:2 worden vergeleken.

Balanceer vóór iedere stoichiometrische berekening de vergelijking en verander daarbij nooit de indices in de formules. H₂O veranderen in H₂O₂ om de telling passend te maken zou de chemische stof zelf veranderen.

De betrouwbare route: omrekenen, verhouding toepassen, terugrekenen

Van massa naar mol

Gebruik n = m/M. Voor 4,032 g H₂ met M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹ volgt 2,000 mol H₂. De vergelijking geeft een 2:2-verhouding tussen H₂ en H₂O, zodat theoretisch maximaal 2,000 mol H₂O kan ontstaan.

Van oplossing naar mol

Voor een oplossing geldt n = cV wanneer c in mol·L⁻¹ staat en V in liter. Zo wordt een volumemeting eerst een stofhoeveelheid voordat de reactieverhouding wordt toegepast.

Het limiterende reagens bepaalt het maximum

Bij meerdere reagentia kun je niet simpelweg de kleinste massa aanwijzen. Zet iedere hoeveelheid om in mol en bepaal hoeveel reactievoortgang zij volgens haar coëfficiënt mogelijk maakt. Het reagens dat de kleinste voortgang toestaat is limiterend.

Voor N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ zou 1,0 mol N₂ 3,0 mol H₂ nodig hebben. Met slechts 2,0 mol H₂ is waterstof limiterend en kan maximaal 4/3 mol NH₃ worden gevormd.

Opbrengst, zuiverheid en echte meetgegevens

Het procentuele rendement vergelijkt de werkelijk verkregen hoeveelheid met de theoretische hoeveelheid: rendement = werkelijk/theoretisch × 100 %. Bij een onzuiver monster moet eerst worden bepaald welk deel werkelijk het bedoelde reagens is. Dat verandert de invoerhoeveelheid, niet de coëfficiënten van de reactie.

Bij gassen is volume alleen rechtstreeks evenredig met mol onder passende, vergelijkbare omstandigheden. Voor nauwkeurig werk gebruik je een toestandsvergelijking of geschikte thermodynamische gegevens in plaats van één universeel “molair gasvolume”.

Eenhedencontrole en significante cijfers

Schrijf eenheden in elke stap: g × mol·g⁻¹ × mol product·mol⁻¹ reagens × g·mol⁻¹. Als de eenheden niet tot de gevraagde eenheid reduceren, is de keten waarschijnlijk verkeerd opgezet.

Rond niet te vroeg af. Bewaar extra cijfers tijdens de tussenstappen en rond pas het eindresultaat af op basis van de precisie van de gegeven gegevens.

Volledige massa → mol → massa-berekening

Voor N₂ + 3H₂ → 2NH₃ levert 10,0 g H₂ bij een overmaat N₂ en M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹ 4,96 mol H₂. De coëfficiëntenverhouding 2/3 geeft 3,31 mol NH₃ en met M(NH₃) ≈ 17,031 g·mol⁻¹ een theoretische opbrengst van ongeveer 56,4 g NH₃.

Door in elke stap de eenheden te schrijven, blijft de dimensionale logica zichtbaar en worden veel opzetfouten meteen duidelijk.

Mol-verhoudingcalculator

De calculator doet alleen de molverhoudingstap. Voor een volledig probleem zijn nog steeds een gebalanceerde vergelijking en de nodige massa-, volume- of concentratieomrekeningen vereist.

Overmaat en hoeveelheid die overblijft

Na het bepalen van het limiterende reagens kan dezelfde molverhouding worden gebruikt om te vinden hoeveel van het reagens in overmaat is verbruikt. Bij N₂ + 3H₂ → 2NH₃ met 2,00 mol N₂ en 4,00 mol H₂ is H₂ limiterend. Daarvoor is 4,00/3 = 1,33 mol N₂ nodig, zodat 0,67 mol N₂ overblijft.

Die resthoeveelheid is belangrijk bij reactorontwerp, kosten, zuivering en veiligheid.

Oplossings- en gasstoichiometrie

Voor een oplossing geeft n = cV het aantal mol. 25,00 mL van 0,1000 mol·L⁻¹ HCl bevat 0,002500 mol HCl; omdat HCl + NaOH → NaCl + H₂O een 1:1-reactie is, neutraliseert dit 0,002500 mol NaOH.

Voor gassen kan een toestandsvergelijking zoals PV = nRT worden gebruikt wanneer ideaal gedrag een goede benadering is. Bij gelijke temperatuur en druk zijn gasvolumes evenredig met molhoeveelheden: in 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g) reageren twee volumes H₂ met één volume O₂.

Zuiverheid, hydraten en de werkelijke formule

Als een vaste stof voor 92,0 massaprocent uit het werkzame reagens bestaat, mag slechts 0,920 maal de monstermassa in de molberekening worden gebruikt. Hydraten vereisen eveneens de molaire massa van de werkelijke formule: CuSO₄·5H₂O heeft een andere massafractie CuSO₄ dan watervrij CuSO₄.

Veel vermeende stoichiometriefouten zijn in werkelijkheid fouten in formule of monstersamenstelling vóór de coëfficiëntenverhouding wordt toegepast.

Reactie-extensie en nauwkeurigheid

In een gevorderde boekhouding beschrijft de reactie-extensie ξ hoe ver een reactie is verlopen. Met de getekende stoichiometrische coëfficiënt νᵢ geldt Δnᵢ = νᵢξ. Voor N₂ + 3H₂ → 2NH₃ verbruikt ξ = 1,00 mol precies 1,00 mol N₂ en 3,00 mol H₂ en vormt 2,00 mol NH₃.

De gehele coëfficiënten van een gebalanceerde vergelijking zijn exact en beperken de significante cijfers niet. De meetonzekerheid komt van massa’s, volumes, concentraties en molaire massa’s; bewaar extra cijfers tijdens tussenstappen en rond pas aan het einde af.

Uitgewerkte oefeningen