Katedra Chemii Nieorganicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska
STECHIOMETRIA
Materiały dodatkowe do Ćwiczeń rachunkowych z Chemii Nieorganicznej przygotowała: Anna Kropidłowska
Stechiometria to dział chemii zajmujący się stosunkami ilościowymi przemian
związków chemicznych zachodzących w czasie reakcji chemicznych. Jest to zatem
dziedzina zajmująca się ustaleniem w jakich proporcjach ilościowych reagują z sobą
związki chemiczne i jakie są proporcje substratów do produktów. Proporcje te wylicza
się na podstawie równań chemicznych analizowanych reakcji oraz znajomości mas
cząsteczkowych substratów i produktów. Stechiometria umożliwia zatem interpretację
ilościową zjawisk chemicznych.
Do obliczeń stechiometrycznych niezbędne są:
znajomość wzorów chemicznych,
umiejętność uzgadniania reakcji chemicznych,
znajomość chemicznych jednostek masy,
znajomość podstawowych praw chemicznych fizycznych.
PODSTAWOWE PRAWA CHEMICZNE
Prawo zachowania masy
Prawo zachowania masy
Prawo to mówi, że łączna masa substratów danej
reakcji chemicznej jest równa łącznej masie produktów
tej reakcji.
Można stwierdzić, że łączna masa reagentów
czasie reakcji chemicznej nie ulega zmianie.
A.L.Lavoisier M.W. A
omonosow
Dla reakcji
A + B = C + D
mamy:
mA + mB = mC + mD
gdzie: mi  masa i-tej substancji
Prawo to sformułowali niezależnie od siebie Michaił Wasilewicz A
omonosow (1748)
i Antoine Laurent Lavoisier (1789).
Eksperymenty Lavoisiera należały do pierwszych, w których stosowano metodę
ilościową. Pokazał on, że mimo zmian stanu materii podczas reakcji, jej ilość (masa) jest taka
sama przed i po reakcji chemicznej. Spalając fosfor i siarkę zauważył, że produkt reakcji ważył
więcej niż jej substraty. Wykazał, że nadwyżka wagi jest rekompensowana ubytkiem masy
powietrza. Te eksperymenty dały podstawę do sformułowania prawa zachowania masy.
Z kolei A
omonosow w 1748 roku w pracy  Stosunki ilości materii i ciężaru wygłoszonej
na posiedzeniu Akademii oraz w pracy  Rozważania o stałości i płynności ciał ogłoszonej
drukiem w języku łacińskim i rosyjskim przedstawił zastosowanie znanego od starożytności
prawa zachowania całkowitej ilości materii do układu, w którym materia przemieszcza się z
jednego ciała do drugiego:  Wszystkie przemiany zachodzące w przyrodzie polegają na tym,
że ile się odejmie od jednego ciała, tyle się dodaje do drugiego. W ten sposób, jeżeli gdzieś
ubędzie nieco materii, to przybędzie w innym miejscu. Ile godzin ktoś poświęca na czuwanie,
tyleż ze snu odejmie. To powszechne prawo przyrody rozciąga się na reguły ruchu, albowiem
ciało, tyle traci tej siły, ile udziela jej ciału drugiemu, które od niego ruch otrzymuje .
Z prawa zachowania masy wynika konieczność bilansowania równań reakcji
chemicznej, tj. takiego doboru współczynników stechiometrycznych równania chemicznego w
którym nastąpi zrównanie ilości (moli) atomów, znajdujących się po lewej i prawej stronie
równania.
Prawo zachowania materii
Prawo zachowania materii
Jest to prawo ogólniejsze od prawa zachowania masy i mówi, że
w układach zamkniętych tzn. bez możliwości wymiany masy do
energii z otoczeniem, suma masy i energii jest wielkością stałą
Jako że pomiędzy masą a energią, stanowiącymi dwie formy
materii, istnieje zależność określona przez Einsteina wzorem:
E = mc2, z zależności tej wynika, że w miejsce rozpatrywanych
niegdyś odrębnie dwóch praw, a to:
A. Einstein
prawa zachowania energii określającego, że w danym układzie zamkniętym suma
energii pozostaje stała, bez względu na przemiany, jakim ulegają wzajemnie jej
poszczególne rodzaje.
prawa zachowania masy wyrażającego, iż łączna suma mas substratów równa się
łącznej masie produktów reakcji chemicznej
Należy zatem - w świetle równoważności masy i energii - mówić o prawie zachowania
materii. Uogólnione prawo zachowania materii można wyrazić równaniem
/Ej + mjc2/ = const
gdzie: Ej - energia zawarta wewnątrz układu w różnych postaciach,
mj - masy składające się na układ substancji.
Prawo stałości składu (prawo stałych stosunków masowych)
Prawo stałości składu (prawo stałych stosunków masowych)
Prawo to mówi, że stosunek ilości wagowych (mas) pierwiastków wchodzących w skład
danego związku chemicznego jest zawsze stały i charakterystyczny dla tego związku.
Zatem każdy związek chemiczny ma ściśle określony i zawsze stały skład chemiczny.
Oznacza to, że pierwiastki reagują ze sobą w ściśle określonych stosunkach mas.
W 1797 prawo stosunków stałych odkrył Joseph Louis
Proust. Odkrycie to przyczyniło się do sformułowania przez
Daltona prawa stosunków wielokrotnych oraz teorii atomistycznej.
Poprawność prawa stosunków stałych była przez wiele lat (1801-
1806) gwałtownie kwestionowana przez Bertholleta, jednego
z najwybitniejszych ówczesnych chemików. Proust bronił
prawdziwości sformułowania swojego prawa (1801- 1808)
poprzez oznaczanie składu wielu związków chemicznych.
J. L. Proust
W przeciwieństwie do mieszanin fizycznych, które można sporządzić z różnych
składników w dowolnych stosunkach wagowych, reakcje chemiczne przebiegają jedynie przy
zachowaniu ściśle określonej proporcji substratów a w związku chemicznym, który powstaje
stosunki masowe składników są stałe, np.
woda H2O H : O = 2 Å" 1u : 1 Å" 16u = 1 : 8,
amoniak NH3 H : N = 3 Å"1u : 1 Å" 14u = 1 : 4,66.
Oznacza to, że różne próbki tej samej substancji (np. wody) zawierają składniki
pierwiastkowe w jednakowych proporcjach a to oznacza, że substraty również muszą łączyć
się w stałym stosunku wagowym. I tak wodór i tlen występują w każdej próbce wody
w stosunku wagowym 1 : 8 (por. wyżej) a to oznacza, że 1gram wodoru i 8 gram tlenu łączą
się z wytworzeniem 9 gramów wody.
Prawo stosunków wielokrotnych
Prawo stosunków wielokrotnych
Gdy dwa pierwiastki tworzą ze sobą więcej aniżeli jeden związek
chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka przypadające na tę
samą ilość wagową drugiego pierwiastka można wyrazić przy pomocy
stosunku (najczęściej niewielkich) liczb całkowitych
Prawo to sformułował w 1803 roku John Dalton.
John Dalton
Mieszaniny
Substancje złożone dzielą się na mieszaniny i związki chemiczne. Kryterium
pozwalającym odróżnić związek chemiczny od mieszaniny jest stałość składu.
Zgodnie z prawem Prousta stosunek masowy pierwiastków w związku chemicznym jest
ściśle określony i stały. Nie dotyczy to mieszanin, w których stosunek mas składników może
być dowolny. Inna istotna różnica polega na tym, że składniki mieszaniny zachowują swoje
właściwości chemiczne, podczas gdy związek chemiczny ma swoje właściwości odmienne od
właściwości substancji, z których powstał.
Składników związku chemicznego nie można rozdzielić metodami fizycznymi. Jest to
możliwe tylko poprzez reakcje chemiczna. Możliwe jest natomiast rozdzielenie składników
mieszaniny z wykorzystaniem metod fizycznych.
OBLICZENIA STECHIOMETRYCZNE
Uwagi ogólne:
Równania reakcji chemicznych mają znaczenie równań matematycznych, podają
bowiem stosunki ilościowe pomiędzy reagującymi substancjami i powstającymi w
reakcji produktami. Dlatego na podstawie równań chemicznych przeprowadza się wiele
różnorodnych obliczeń o dużym praktycznym znaczeniu w wielu działach chemii. W ten
sposób oblicza się np. wydajność procesów chemicznych oraz ilości substratów
niezbędne do otrzymania pożądanych ilości produktów.
Równania chemiczne określają nie tylko stosunki wagowe ale i objętościowe w jakich
reagujÄ… ze sobÄ… substancje chemiczne.
 Wzór chemiczny stanowi jakościową i ilościową charakterystykę związku, gdyż podaje z
jakich pierwiastków składa się związek i w jakim stosunku wagowym są one ze sobą
połączone.
Liczba stechiometryczna cząsteczki: Określa ilościowy skład związku chemicznego
przedstawionego w postaci wzoru; umieszcza się ja po prawej stronie u dołu symbolu
pierwiastka, np. H2.
Stosunek stechiometryczny reagentów: jest to ilościowy stosunek reagentów określony
równaniem chemicznym; dla danej reakcji jest stały.
Obliczenia składu procentowego związku na podstawie jego wzoru.
Na podstawie składu wagowego można obliczyć skład procentowy związku czyli
procent wagowy poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład związku.
W przypadku związku o wzorze ogólnym XaYbZc, zawartość pierwiastków X, Y, Z
wyrażoną w procentach wagowych można obliczyć z zależności:
a Å" mX b Å" mY c Å" mZ
X = Å"100% Y = Å"100% Z = Å"100%
MX YbZc MX YbZc MX YbZc
a a a
gdzie: MX YbZc - masa molowa zwiÄ…zku XaYbZc
a
mi  masa molowa i-tego pierwiastka
a,b,c- liczby atomów poszczególnych pierwiastków w cząsteczce
Literatura:
[1] Z. Bądkowska, E. Koliński, M. Wojnowska, Obliczenia z Chemii Nieorganicznej, Wydawnictwo PG, Gdańsk (1996).
[2] W. Brzyska (red.), Ćwiczenia z chemii ogólnej, Wydawnictwo UMCS, Lublin (1997) 61-69.