استوکیومتری چیست و چه کاربردی در شیمی دارد؟

استوکیومتری شاخه ‌ای از علم شیمی است که در ارتباط با مقادیر نسبی واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش های شیمیایی صحبت می کند. معمولا برای هر واکنش شیمیایی تعادلی از تعداد کامل ضرایب برای نشان دادن مقادیر واکنش دهنده ها و محصولات استفاده می شود. به عنوان مثال ، هنگامی که اکسیژن و هیدروژن برای تولید آب واکنش نشان می دهند یک مول اکسیژن با دو مول هیدروژن واکنش داده و دو مول آب تولید می کند.

علاوه بر این استوکیومتری می تواند مقدار محصولاتی را که می توان با مقدار معینی از واکنش دهنده تولید کرد را نشان دهد. استوکیومتری در واقع روابط کمی میان واکنش دهنده‌ها و محصولات است. استوکیومتری شیمی دهم و استوکیومتری شیمی یازدهم توضیحات کاملی در این رابطه ارائه کرده است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

آموزش ساده استوکیومتری

استوکیومتری بر اساس قانون حفظ جرم بنا نهاده شده است که در آن جرم کل واکنش دهنده ها برابر با جرم کل محصولات است و منجر به این بینش می شود که روابط بین مقادیر واکنش دهنده ها و محصولات معمولاً نسبتی از اعداد صحیح مثبت را تشکیل می دهد. این بدان معنی است که اگر مقادیر واکنش دهنده ها مشخص باشد می توان مقدار محصول را محاسبه کرد.

بنابراین اگر یک واکنش دهنده مقدار مشخص داشته باشد مقدار محصولات را می توان به صورت تجربی تعیین کرد ، در این صورت می توان مقدار واکنش دهنده های دیگر را نیز محاسبه کرد. مسئله های استوکیومتری بیشتر در رابطه با موازنه واکنش ها هستند که در معادله زیر نشان داده شده است:

CH4+2O2→ CO2+2H2O

در اینجا ، یک مولکول متان با دو مولکول گاز اکسیژن واکنش داده و یک مولکول دی اکسید کربن و دو مولکول آب تولید می کند. این معادله شیمیایی خاص نمونه ای از احتراق کامل است.

استوکیومتری این روابط کمی را اندازه گیری می کند و برای تعیین مقدار محصولات و واکنش دهنده هایی که در یک واکنش معین تولید شده  یا مورد نیاز هستند ، استفاده می شود. در مثال بالا ، استوکیومتری واکنش ، رابطه بین مقادیر متان و اکسیژن که برای تشکیل دی اکسید کربن و آب واکنش می دهند را اندازه گیری می کند.

به دلیل رابطه شناخته شده مول ها با وزن های اتمی می توان از این نسبت ها نیز برای تعیین مقادیر وزنی در واکنشی که یک معادله تعادلی توصیف می شود، استفاده کرد که  به آن استوکیومتری ترکیب گفته می شود.

استوکیومتری گاز نیز با واکنش های مربوط به گازها سروکار دارد ، جایی که گازها در دما ، فشار و حجم مشخصی قرار دارند و می توان آنها را گازهای ایده آل فرض کرد. برای گازها ، با توجه به قانون گاز ایده آل ، نسبت حجم یکسان است ، اما نسبت جرمی یک واکنش منفرد باید از طریق جرم های مولکولی واکنش دهنده ها و محصولات محاسبه شود. در عمل ، به دلیل وجود ایزوتوپ ها ، هنگام محاسبه نسبت جرمی  از جرم های مولی استفاده می شود. این موارد در حل مسائل استوکیومتری مورد استفاده قرار می گیرند.

مقادیر استوکیومتری در یک واکنش شیمیایی

معادله شیمیایی نمایش تصویری یک واکنش شیمیایی است. در یک معادله شیمیایی معمولی ، یک پیکان واکنش دهنده های سمت چپ و محصولات را از سمت راست جدا می کند. ضرایب کنار واکنش دهنده ها و محصولات مقادیر استوکیومتری هستند. آنها تعداد مولهای هر ترکیب را نشان می دهند که باید با هم ترکیب شوند تا واکنش کامل شود.

در برخی موارد ، ممکن است لازم باشد تعداد مولهای یک معرف یا محصول تحت شرایط واکنش خاص محاسبه شود. برای انجام صحیح این کار واکنش باید تعادلی باشد. قانون حفظ ماده می گوید که مقدار هر عنصر در یک واکنش شیمیایی تغییر نمی کند. بنابراین ، هنگامی که تعداد هر عنصر در معادله در هر دو طرف چپ و راست معادله یکسان باشد ، یک معادله شیمیایی تعادلی خواهیم داشت.

ضرایب استوکیومتری

ضرایب استوکیومتری به اعدادی گفته می شود که در کنار اتم‌ ها، یون‌ ها و مولکول ‌های دخیل در یک واکنش نوشته می ‌شوند تا تعداد عناصر در واکنش دهنده ها و محصولات یکسان باشند. این ضرایب ممکن است به صورت اعداد کسری یا صحیح باشند که اعداد صحیح برای نمایش ترجیح داده می ‌شوند. ضرایب استوکیومتری در واکنش های شیمیایی  به دلیل نشان دادن نسبت ‌های مولی بین واکنش‌ دهنده ها و محصولات  بسیار پرکاربرد هستند. معادله زیر را در نظر بگیرید:

(۲Na(s)+2HCl(aq)→۲NaCl(aq)+H2(g

در  این واکنش بالا، ۲ مول  HCl با دو مول از Na واکنش داده تا ۲ مول NaCl و یک مول H2 تولید می شود. در این واکنش اگر تعداد مول‌ های Na را بدانیم می ‌توانیم تعداد مول NaCl تولید شده را  تعیین کنیم. در واقع فهم دقیق موازنه شیمیایی به ما در حل مسائل استوکیومتری کمک خواهد کرد.

استفاده از استوکیومتری برای محاسبه مول ها

مرحله بعدی بررسی ضرایب هر یک از عناصر معادله است. ضرایب را می توان مقدار مول های استفاده شده در واکنش دانست. نکته اصلی استوکیومتری واکنش است که روابط کمی بین مواد را در هنگام شرکت در واکنش شیمیایی توصیف می کند. رابطه بین دو شرکت کننده در واکنش (واکنش دهنده یا محصول) را می توان به عنوان فاکتورهای تبدیل مشاهده کرد و می توان از آن برای تسهیل تبدیل مول به مول در واکنش استفاده کرد.

تغییرات در معادلات استوکیومتری

تمامی روابط کمی  مورد استفاده در معادلات را برای استفاده در تجزیه و تحلیل داده‌ها می ‌توان به نسبت‌های مختلف تبدیل کرد که در ادامه به برخی از آنها اشاره شده است.

چگالی

چگالی یا دانسیته به صورت نسبت جرم به حجم  یا جرم به حجم بیان می شود و می توان از آن برای محاسبه حجم یک محلول، زمانی که جرم آن را داریم یا به عکس استفاده کرد.

درصد جرمی

برای بیان روابط از درصد نیز می ‌توان استفاده کرد. به عنوان مثال درصد جرمی نشان می دهد که چند گرم از یک مخلوط خاص ، حاوی یک عنصر یا مولکول خاص است.

مولاریته

مولاریته رابطه بین مول و لیتر را نشان می دهد. در صورتیکه حجم و مولاریته را در یک معادله داشته باشیم به راحتی می ‌توان تعداد مول ‌ها را محاسبه کرد. همچنین با استفاده از مولاریته و مول می توان حجم را بدست آورد.

فرمول استوکیومتری شیمی دهم

استوکیومتری شاخه ای از شیمی عمومی است که به محاسبات مربوط به سیر کمی واکنش های شیمیایی می پردازد. هنگام کار در آزمایشگاه، اغلب لازم است بدانیم که چه مقدار (جرم، حجم، مولکول) از بسترهایی که باید استفاده کنیم تا واکنش شیمیایی که انجام می دهیم به طور کامل انجام شود یا مقدار محصول به دست آید. گاهی اوقات لازم است که مازاد یا فقدان بستری که باعث شده آزمایش متفاوت از حد انتظار اجرا شود محاسبه شود. هر یک از این محاسبات مستقیماً از تفسیر کمی معادله واکنش شیمیایی پیروی می کند و از قوانین بقای جرم استفاده می کند. این نوع معادلات را محاسبات استوکیومتری می نامند.

استوکیومتری در هسته خود شامل مطالعه روابط و نسبت های کمی بین واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش های شیمیایی است. این بر اساس اصل بقای جرم است، جایی که جرم کل واکنش دهنده ها برابر با جرم کل محصولات است. نمی توان بدون درک مؤلفه های بنیادی آن مانند استوکیومتری وارد شد

واکنش دهنده ها: مواد اولیه ای که دچار تغییر شیمیایی می شوند.

محصولات: موادی که در نتیجه یک واکنش شیمیایی تولید می شوند.

مول: واحد اندازه گیری مقدار ماده که به طور مستقیم با تعداد ذرات موجود در ارتباط است.

برای استفاده از استوکیومتری نیاز به دانش در تعدادی از زمینه ها از جمله: معادلات واکنش شیمیایی، ضرایب استوکیومتری، جرم مولی و مولی و حجم مولی گازها و قانون آووگادرو داریم. با استفاده از دانش استوکیومتری واکنش های شیمیایی، بسیاری از مسائل محاسباتی مانند تحلیل عنصری، محاسبات مولی محاسبات جرم را می توان حل کرد.