§ 5. Стехиометрия

Определения и обозначения

Стехиометрия — раздел химии, изучающий количественные соотношения веществ в реакциях. Она помогает рассчитать, сколько реагента потребуется и какое количество продукта образуется. Такие расчёты основаны на уравнениях реакций и законе сохранения массы.

Стехиометрический коэффициент — число перед формулой вещества в уравнении. Он показывает соотношение количеств веществ, например 1 моль N₂ реагирует с 3 молями H₂. Коэффициент не означает число атомов в одной молекуле.

Стехиометрическое соотношение — отношение количеств веществ, соответствующее коэффициентам уравнения. Для реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ оно имеет вид n(N₂):n(H₂):n(NH₃) = 1:3:2. По этому отношению переходят от известного количества вещества к неизвестному.

Лимитирующий реагент — вещество, которое расходуется первым и определяет максимально возможное количество продукта. Другой реагент может остаться после реакции, поэтому его называют избытком. Различать эти вещества нужно, чтобы правильно выбрать основу расчёта выхода продукта.

Как это устроено

Расчёт начинают с уравнивания реакции, потому что атомы не исчезают и не возникают заново. Коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Только после этого уравнение даёт правильное количественное соотношение веществ.

Коэффициенты связывают количества веществ, поскольку одинаковые коэффициенты относятся к молям, а не к отдельным частицам. Например, из уравнения 2H₂ + O₂ → 2H₂O следует, что 2 моль водорода реагируют с 1 молем кислорода. Поэтому известное количество одного вещества можно использовать для нахождения другого.

Если дана масса, её сначала переводят в количество вещества: n = m/M, где M — молярная масса. Затем используют отношение коэффициентов и получают количество искомого вещества. Для газа при заданных условиях применяют формулу n = V/Vₘ, а при нормальных условиях молярный объём примерно равен 22,4 л/моль.

При наличии нескольких реагентов нельзя просто сравнивать их массы: одинаковая масса разных веществ содержит разное число молей. Для каждого реагента находят отношение n/ν, где ν — его коэффициент в уравнении. Наименьшее значение указывает на лимитирующий реагент, а остальные вещества будут израсходованы не полностью.

Количество продукта рассчитывают по лимитирующему реагенту, поскольку именно он прекращает реакцию. Полученный результат называют теоретическим выходом — это максимум при полном протекании процесса. Фактический выход может быть ниже из-за потерь, побочных реакций и неполного превращения исходных веществ.

Величины и соотношения в стехиометрических расчётах

Таблица показывает общий порядок переходов в задаче. Сначала определяют количество вещества, затем используют коэффициенты уравнения и при необходимости возвращаются к массе или объёму. При нескольких реагентах отдельно сравнивают величины n/ν.

Разбор задач

Задача 1

В реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ дано 0,6 моль H₂. Найдём количество N₂ и NH₃.

1. По коэффициентам 3 моль H₂ требуют 1 моль N₂, поэтому n(N₂) = 0,6 · 1/3 = 0,2 моль.
2. Из 3 моль H₂ образуются 2 моль NH₃: n(NH₃) = 0,6 · 2/3 = 0,4 моль.

Ответ: необходимо 0,2 моль N₂, образуется 0,4 моль NH₃.

Задача 2

Из 25 г CaCO₃ по уравнению CaCO₃ → CaO + CO₂ найдём массу CaO и объём CO₂ при нормальных условиях.

1. M(CaCO₃) = 100 г/моль, поэтому n(CaCO₃) = 25/100 = 0,25 моль.
2. Соотношение всех веществ равно 1:1:1, значит образуется 0,25 моль CaO и 0,25 моль CO₂.
3. M(CaO) = 56 г/моль, m(CaO) = 0,25 · 56 = 14 г; V(CO₂) = 0,25 · 22,4 = 5,6 л.

Ответ: 14 г CaO и 5,6 л CO₂.

Задача 3

Смешали 4,0 г H₂ и 32,0 г O₂ в реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

1. n(H₂) = 4/2 = 2 моль, n(O₂) = 32/32 = 1 моль.
2. Их отношения к коэффициентам равны 2/2 = 1 и 1/1 = 1, поэтому реагенты взяты точно по уравнению; избытка нет.
3. Образуется 2 моль H₂O, или m(H₂O) = 2 · 18 = 36 г.

Ответ: лимитирующего реагента и остатка нет; образуется 36 г воды.

Типичные ошибки

Расчёт по неуравненному уравнению даёт неверное соотношение веществ. Так ошибаются, когда сразу подставляют данные в формулы. Проверьте число атомов каждого элемента слева и справа.

Коэффициент иногда принимают за число атомов или молекул в одной частице. На самом деле он относится к количествам веществ во всей реакции. Спросите себя, можно ли заменить коэффициент словом «моль».

Сравнение масс реагентов не показывает, какой из них закончится первым. Веществам с разными молярными массами соответствуют разные количества частиц. Сначала переведите все массы в моли.

Нельзя считать продукт по реагенту в избытке или называть такой результат фактическим выходом. Продукт ограничен лимитирующим реагентом, а теоретический выход является расчётным максимумом. Проверьте величины n/ν и условия задачи.

Связь с другими темами

Для стехиометрических расчётов нужны закон сохранения массы, навыки уравнивания реакций, относительные атомные и молекулярные массы, молярная масса и количество вещества. Эти знания позволяют решать задачи на растворы, газы, чистоту вещества и выход продукта. Стехиометрия лежит в основе количественного анализа и расчётов в химическом производстве.

Что запомнить

• Расчёт по реакции начинают с уравнивания химического уравнения.
• Коэффициенты уравнения задают соотношение количеств веществ.
• Массу вещества переводят в количество вещества через молярную массу.
• Для поиска лимитирующего реагента сравнивают количества веществ с учётом коэффициентов.
• Количество продукта рассчитывают по лимитирующему реагенту.
• Теоретический выход — максимальное количество продукта, возможное по уравнению реакции.