Стехіометрія
Стехіометрія перетворює збалансоване хімічне рівняння на кількісний матеріальний баланс. Коефіцієнти задають співвідношення кількостей речовини, а не мас. Тому типовий розрахунок проходить шлях від даної маси або об’єму до молів, далі через коефіцієнти реакції і лише потім назад до потрібної величини.
Баланс рівняння
Перед будь-яким розрахунком рівняння має зберігати кількість атомів кожного елемента та повний електричний заряд. Змінювати індекси у формулах для “вирівнювання” не можна: це означало б замінити самі речовини. Дозволено змінювати тільки стехіометричні коефіцієнти.
Мольні співвідношення
Для 2H₂+O₂→2H₂O коефіцієнти означають 2 mol H₂ на 1 mol O₂ і 2 mol H₂O. Це не означає 2 g водню на 1 g кисню, бо молярні маси різні. Саме моль є природною одиницею реакційного рахунку.
Обмежувальний реагент
Якщо реагенти змішані не в точному співвідношенні, один з них закінчиться першим. Для кожного реагента можна обчислити, скільки продукту він максимум здатний дати; найменше значення визначає обмежувальний реагент і теоретичний вихід.
Надлишок
Речовина в надлишку після завершення реакції залишається. Її кількість знаходять, віднімаючи реально витрачену кількість від початкової. Не можна вважати, що всі введені реагенти обов’язково витратилися повністю.
Теоретичний і фактичний вихід
Теоретичний вихід походить з ідеального стехіометричного балансу. Фактичний вихід може бути нижчим через побічні реакції, неповне перетворення або втрати під час виділення продукту. Відсотковий вихід = фактичний/теоретичний ×100 %.
Розчини
Якщо реагент задано концентрацією, спочатку використовують n=cV, причому V має бути в одиницях, узгоджених з c. Після цього застосовують коефіцієнти рівняння. Саме така послідовність запобігає змішуванню концентрації з кількістю речовини.
Газові об’єми
Для газів за однакових T і P об’ємні співвідношення ідеальних газів збігаються з мольними. Але “22,4 L/mol” не є універсальною сталою: молярний об’єм залежить від температури та тиску і краще виводиться з PV=nRT.
Контроль результату
Після розрахунку варто перевірити одиниці, знак, порядок величини і збереження атомів. Якщо відповідь вимагає більше продукту, ніж дозволяє кількість обмежувального реагенту, помилка виникла раніше, навіть якщо арифметика формально правильна.
Матеріальний баланс як універсальна перевірка
Стехіометричний розрахунок має сенс лише тоді, коли він поважає збереження атомів і заряду. Це дає сильну перевірку навіть для складних задач: можна порахувати загальну кількість кожного елемента до і після та переконатися, що вона збігається. У технологічному процесі додають ще конверсію, селективність і рецикл, тому “100 % теоретичний вихід” стає лише верхньою межею. Якщо побічна реакція споживає той самий реагент, обмежувальний реагент може бути визначений правильно, але фактичний вихід цільового продукту все одно буде нижчим. Отже, стехіометрія задає бухгалтерію речовини, а кінетика й механізм визначають, як ця бухгалтерія реалізується.
Вправа
Для N₂+3H₂→2NH₃ дано 1,0 mol N₂ і 2,0 mol H₂. Який реагент обмежувальний і скільки NH₃ максимум утвориться?
Розв’язання
Для 1 mol N₂ потрібно 3 mol H₂, але є лише 2. H₂ обмежувальний. З 3 mol H₂ виходить 2 mol NH₃, тому з 2 mol H₂ — 4/3≈1,33 mol NH₃.