Stökiometri

En balanserad reaktionsformel är ett mängdförhållande

Koefficienterna i en balanserad kemisk reaktion anger förhållanden mellan antal partiklar och därmed mellan substansmängder i mol. I 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O reagerar två mol H₂ med en mol O₂ och bildar två mol H₂O. Koefficienterna är inte massor, så gram kan inte jämföras direkt i förhållandet 2:1:2.

Balansera reaktionen före varje stökiometrisk beräkning och ändra aldrig indexen i kemiska formler för att få atomantalet att stämma. Att byta H₂O mot H₂O₂ skulle innebära en annan kemisk substans.

Den robusta vägen: omvandla, använd förhållandet, omvandla tillbaka

Från massa till mol

Använd n = m/M. För 4,032 g H₂ och M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹ fås 2,000 mol H₂. Reaktionen ger förhållandet 2:2 mellan H₂ och H₂O, så det teoretiska maximumet är 2,000 mol H₂O.

Från lösning till mol

För en lösning gäller n = cV när c anges i mol·L⁻¹ och V i liter. På så sätt omvandlas en volymmätning först till substansmängd innan reaktionsförhållandet används.

Det begränsande reaktanten bestämmer maximum

När flera reaktanter finns räcker det inte att välja den minsta massan. Omvandla varje mängd till mol och beräkna hur långt reaktionen kan gå utifrån respektive koefficient. Den reaktant som tillåter minst reaktionsomfattning är begränsande.

För N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ kräver 1,0 mol N₂ 3,0 mol H₂. Om bara 2,0 mol H₂ finns är väte begränsande och högst 4/3 mol NH₃ kan bildas.

Utbyte, renhet och verkliga data

Procentuellt utbyte jämför den faktiskt erhållna mängden med den teoretiska: utbyte = verkligt/teoretiskt × 100 %. För ett orent prov måste man först beräkna hur stor del som verkligen är den aktuella reaktanten. Det ändrar startmängden, inte reaktionens koefficienter.

För gaser är volym direkt proportionell mot mol endast under lämpliga och jämförbara villkor. Vid noggrant arbete används en tillståndsekvation eller relevanta termodynamiska data i stället för ett enda ”universellt molvolymvärde”.

Enhetskontroll och signifikanta siffror

Skriv med enheterna i varje steg: g × mol·g⁻¹ × mol produkt·mol⁻¹ reaktant × g·mol⁻¹. Om enheterna inte reduceras till den efterfrågade enheten är beräkningskedjan sannolikt fel uppställd.

Undvik att avrunda tidigt. Behåll extra siffror i mellanleden och avrunda först slutsvaret enligt precisionen i de givna uppgifterna.

Fullständig massa → mol → massa-beräkning

För N₂ + 3H₂ → 2NH₃ ger 10,0 g H₂ med N₂ i överskott och M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹ 4,96 mol H₂. Koefficientförhållandet 2/3 ger 3,31 mol NH₃ och med M(NH₃) ≈ 17,031 g·mol⁻¹ ett teoretiskt utbyte på cirka 56,4 g NH₃.

När enheterna skrivs ut i varje steg blir dimensionslogiken synlig och många uppställningsfel kan upptäckas innan själva aritmetiken görs.

Molkvotsräknare

Räknaren gör endast molkvotssteget. Ett fullständigt problem kräver fortfarande en balanserad reaktionsformel och de nödvändiga omvandlingarna av massa, volym eller koncentration.

Överskottsreaktant och mängd som blir kvar

När den begränsande reaktanten har identifierats kan samma molkvot användas för att räkna ut hur mycket av överskottsreaktanten som förbrukas. För N₂ + 3H₂ → 2NH₃ med 2,00 mol N₂ och 4,00 mol H₂ är H₂ begränsande. 4,00 mol H₂ kräver 4,00/3 = 1,33 mol N₂, så 0,67 mol N₂ blir kvar.

Restmängden är viktig vid reaktordesign, kostnadsberäkning, rening och säkerhet.

Lösnings- och gasstökiometri

För en lösning ger n = cV substansmängden. 25,00 mL 0,1000 mol·L⁻¹ HCl innehåller 0,002500 mol HCl; eftersom HCl + NaOH → NaCl + H₂O är 1:1 neutraliserar detta 0,002500 mol NaOH.

För gaser kan en tillståndsekvation som PV = nRT användas när idealgasmodellen är tillräcklig. Vid samma temperatur och tryck är gasvolymer proportionella mot substansmängder: i 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g) reagerar två volymer H₂ med en volym O₂.

Renhet, hydrater och den faktiska formeln

Om ett fast prov bara består av 92,0 mass-% aktiv förening ska bara 0,920 gånger provmassan ingå i molberäkningen för den föreningen. Hydrater kräver också molmassan för den verkliga formeln: CuSO₄·5H₂O har en annan massfraktion CuSO₄ än vattenfritt CuSO₄.

Många skenbara stökiometrifel är i själva verket fel i formel eller provsammansättning som uppstår innan koefficientförhållandet ens används.

Reaktionsutsträckning och precision

I en mer avancerad beskrivning anger reaktionsutsträckningen ξ hur långt en reaktion har gått. Med den teckenförsedda stökiometriska koefficienten νᵢ gäller Δnᵢ = νᵢξ. För N₂ + 3H₂ → 2NH₃ förbrukar ξ = 1,00 mol exakt 1,00 mol N₂ och 3,00 mol H₂ och bildar 2,00 mol NH₃.

Koefficienterna i en korrekt balanserad reaktionsformel är exakta heltal och begränsar inte antalet signifikanta siffror. Mätprecisionen kommer från massor, volymer, koncentrationer och molmassor; behåll extra siffror i mellanled och avrunda först i slutet.

Lösta övningar