Stechiometria

Zbilansowane równanie jest punktem startowym

Dla N₂ + 3H₂ → 2NH₃ stosunek molowy wynosi 1:3:2. Oznacza to, że 1 mol N₂ reaguje z 3 mol H₂, tworząc 2 mol NH₃, jeśli reakcja przebiega zgodnie z tym równaniem.

Współczynniki są dokładnymi liczbami dla zapisanej reakcji. Nie można ich zastępować masami molowymi; masa pojawia się dopiero w osobnym przeliczeniu n = m/M.

Mole są pomostem

W obliczeniu masa–masa najpierw dzielimy masę przez masę molową, następnie mnożymy przez stosunek współczynników, a na końcu wracamy do gramów. Zapisywanie jednostek w każdym kroku ujawnia błędne ustawienie ułamka.

Dla roztworu mole można otrzymać z n = cV, gdy V podano w litrach. Dla gazu można użyć odpowiedniego równania stanu, np. PV = nRT, a dopiero potem zastosować stosunek reakcyjny.

Reagent ograniczający ustala maksimum

Gdy podano ilości więcej niż jednego reagenta, każdy z nich trzeba niezależnie przeliczyć na możliwą ilość produktu. Mniejsza wartość wskazuje reagent ograniczający, który zużyje się jako pierwszy.

Dla 2,00 mol N₂ i 4,00 mol H₂ wodór jest ograniczający: 2,00 mol N₂ wymagałoby 6,00 mol H₂. Z 4,00 mol H₂ może powstać maksymalnie 4×2/3 = 2,67 mol NH₃.

Reagent w nadmiarze pozostaje

Po wyznaczeniu reagenta ograniczającego można obliczyć, ile reagenta nadmiarowego rzeczywiście zostało zużyte. W powyższym przykładzie 4,00 mol H₂ zużywa 4/3 = 1,33 mol N₂, więc z początkowych 2,00 mol pozostaje 0,67 mol N₂.

To obliczenie jest praktyczne: nadmiar wpływa na oczyszczanie produktu, koszty i bezpieczeństwo procesu. Samo wskazanie reagenta ograniczającego nie kończy bilansu materiałowego.

Wydajność teoretyczna i rzeczywista

Wydajność teoretyczna to maksymalna ilość produktu wynikająca ze stechiometrii i reagenta ograniczającego. Wydajność procentowa = wydajność rzeczywista / teoretyczna × 100%.

Wartość ponad 100% zwykle wskazuje na mokry lub zanieczyszczony produkt, błąd pomiaru albo błędne założenie o składzie. Reakcja nie tworzy dodatkowej materii ponad bilans równania.

Skład próbki i dokładność

Jeśli próbka ma 92,0% substancji aktywnej, tylko 0,920 jej masy należy przeliczać na mole tej substancji. Hydraty wymagają masy molowej rzeczywistego hydratu, np. CuSO₄·5H₂O, a nie bezwodnego CuSO₄.

Współczynniki stechiometryczne są dokładne; cyfry znaczące wynikają z pomiarów masy, objętości i stężenia. Warto zachować dodatkowe cyfry w krokach pośrednich i zaokrąglić dopiero wynik końcowy.

Przykłady rozwiązane

1. 2H₂ + O₂ → 2H₂O

2. Reagent ograniczający

3. Wydajność