Стехиометрия
Стехиометрия превращает уравнённую химическую реакцию в количественный прогноз. Коэффициенты уравнения задают отношения числа частиц и, следовательно, количества вещества в молях, но не отношения масс в граммах. Универсальная схема: перевести измеряемую величину в моли, применить отношение коэффициентов и затем перевести найденное количество вещества в требуемую массу, объём, концентрацию или число частиц.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Уравнённое уравнение — исходная точка
В N₂ + 3H₂ → 2NH₃ соотношение равно 1 mol N₂ : 3 mol H₂ : 2 mol NH₃. То же отношение верно для числа молекул. Но оно не означает 1 g N₂ к 3 g H₂, поскольку молярные массы веществ различны. Запись единиц на каждом этапе делает размерностную логику явной и помогает сразу заметить неправильный коэффициент или обращённую дробь.
Из массы в массу через моли
Для 10,0 g H₂ при M(H₂)=2,016 g·mol⁻¹ получается около 4,96 mol H₂. Стехиометрическое отношение 2/3 даёт 3,31 mol NH₃, а M(NH₃)=17,031 g·mol⁻¹ — около 56,4 g NH₃ при избытке N₂. Моль является обязательным мостом между измеренной массой и коэффициентами химического уравнения.
Ограничивающий реагент и теоретический выход
Если даны количества нескольких реагентов, вычисляют, сколько продукта мог бы дать каждый из них. Меньшее возможное количество продукта определяет ограничивающий реагент. При 2,00 mol N₂ и 4,00 mol H₂ ограничивает H₂: 4,00 mol H₂ требуют 1,33 mol N₂, поэтому около 0,67 mol N₂ останется в избытке. Именно ограничивающий реагент задаёт теоретический максимум продукта.
Фактический и процентный выход
Процентный выход = фактический выход / теоретический выход ×100%. Потери продукта, неполное превращение и побочные реакции обычно уменьшают значение. Результат выше 100% чаще означает влажный или загрязнённый продукт, ошибку измерения или неверное предположение о составе, а не нарушение сохранения вещества. Выход реакции и чистота продукта — разные характеристики.
Растворы и газы подчиняются той же мольной логике
Для раствора количество вещества можно получить из n=cV при c в mol·L⁻¹ и V в литрах. Для газа сначала используют подходящее уравнение состояния, затем коэффициенты реакции. Общая логика неизменна: перейти к молям, применить стехиометрическое отношение, перейти к нужной единице. Итоговый расчёт должен согласовываться с сохранением атомов и массы в уравнённой реакции.
Задачи
Мольное отношение
N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Сколько mol NH₃ теоретически получится из 6,00 mol H₂ при избытке N₂?
Решение: 6,00×(2/3)=4,00 mol NH₃.
Ограничивающий реагент
Есть 2,00 mol N₂ и 4,00 mol H₂. Что ограничивает реакцию?
Решение: Для 2,00 mol N₂ потребовалось бы 6,00 mol H₂, а имеется 4,00 mol, поэтому H₂ — ограничивающий реагент.
Процентный выход
Теоретически ожидается 50,0 g, а получено 42,0 g чистого продукта. Каков выход?
Решение: 42,0/50,0×100%=84,0%.