U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete što u kemiji označavamo pojmom stehiometrija i koja je njezina primjena u nastavi kemije.

Prije proučavanja ove Teme prisjetite se sljedećih pojmova:

kemijska reakcija, reaktanti, produkti, jednadžba kemijskih reakcija, kemijska sinteza, kemijska analiza, množina tvari, brojnost jedinki

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Definiraj pojam: stehiometrija kemijskih reakcija?
• Objasni značenje pojma: stehiometrijski omjer!
• Objasni značenje pojma stehiometrijski koeficijent na primjeru i napiši njegovu oznaku!
• Obrazloži važnost poznavanja stehiometrije kemijske reakcije? Potkrijepi primjerima!

♦ Bit kemije su kemijske reakcije. Posao kemičara je priprava različitih smjesa, osmišljavanje koncepata pripreme složenijih tvari iz jednostavnijih, te razlaganja onih složenijih na jednostavnije. U svakodnevnom životu najbliže zanimanju kemičara je posao kuhara. Kao što kuhari osmišljavaju recepte za pripravu različitih jela, tako i kemičari osmišljavaju recepte za pripravu složenijih spojeva ili pak načine rastavljanja složenijih spojeva na jednostavnije. Kuharu na receptu za pripremu umaka od gljiva stoji: 250 g šampinjona, 125 ml umaka od rajčice, 2 g soli, 10 g vegete, 500 ml vode, dok kemičaru kao recept služi jednadžba kemijske reakcije.

♦ Kemijska reakcija predstavlja proces međudjelovanja tvari bilo u prirodi ili umjetno izazvan u kemijskom laboratoriju pri kojemu nastaju nove tvari, koje se po svojim fizikalnim i kemijskim svojstvima razlikuju od početnih tvari. Sa pojmom kemijska reakcija smo se već susreli u Temi KEMIJSKA REAKCIJA .

♦ Kemijsku reakciju prikazujemo jednadžbom kemijske reakcije gdje na lijevoj strani jednadžbe imamo reaktante (tvari koje ulaze u kemijsku reakciju), a na desnoj strani jednadžbe imamo produkte kemijske reakcije (tvari koje nastaju, izlaze iz kemijske reakcije), a između njih stoji znak strelica (→).

Primjer jednostavne kemijske reakcije je dobivanje molekule vode iz plinova vodika i kisika:

H_{2 (g)} + O_{2 (g)}  →  H₂O _(g)

Iz jednadžbe ove kemijske reakcije vidimo da u kemijsku reakciju ulaze vodik i kisik (plinovi), a izlazi voda u plinovitom stanju, tj. vodena para.

Riječ jednadžba nas upućuje da između lijeve i desne strane jednadžbe mora postojati jednakost.

Postoji li u našoj jednadžbi kemijske reakcije jednakost između lijeve i desne strane jednadžbe?

♦ Ako usporedimo brojnost vodika na lijevoj i desnoj strani jednadžbe, vidimo da na lijevoj strani imamo jednu molekulu vodika (NAPOMENA: vodik i kisik su plinovi, te njih, kao i sve ostale plinove, izuzev plemenitih plinova, pišemo u obliku molekula), odnosno 2 atoma vodika, a na desnoj strani, također, dva atoma vodika, dakle tu imamo jednakost. Ako pogledamo brojnost kisika na lijevoj i desnoj strani, vidimo da na lijevoj strani imamo jednu molekulu kisika odnosno 2 atoma kisika, a na desnoj strani jedan atom kisika, dakle, u pogledu brojnosti kisika nije ostvarena tražena jednakost.

Da bismo izjednačili brojnost kisika na lijevoj i desnoj strani jednadžbe stavljamo na desnu stranu uz molekulu vode broj 2 :

H_{2 (g)} + O_{2 (g)}  →   2H₂O _(g)

♦ Ako sad promotrimo brojnost vodika i kisika na lijevoj i desnoj strani jednadžbe, vidimo da smo uspjeli ostvariti jednakost u pogledu brojnosti kisika (2 atoma kisika na lijevoj i 2 atoma kisika na desnoj strani jednadžbe), ali da sada na desnoj strani dobivamo 4 atoma vodika, a na lijevoj imamo samo 2 atoma vodika. Da bismo ostvarili jednakost u pogledu brojnosti vodika, na lijevu stranu jednadžbe uz vodik (molekulu vodika) stavljamo broj 2, te dobivamo sljedeći oblik jednadžbe:

2H_{2 (g)} + O_{2 (g)}  →  2H₂O _(g)

Ovom konačnom jednadžbom kemijske reakcije uspjeli smo ostvariti jednakost između lijeve i desne strane jednadžbe.

Iz konačne jednadžbe očitavamo da uz vodik stoji broj 2, uz kisik broj 1 koji ne pišemo, uz vodu broj 2. Ove brojeve nazivamo stehiometrijskim koeficijentima.

Stehiometrijski koeficijent je pokazatelj brojnosti jedinki. Označavamo ga malim grčkim slovom ni (ν).

♦ U našoj kemijskoj reakciji polazne tvari su vodik i kisik. Konačni produkt je vodena para.

Koliko vodika, a koliko kisika je potrebno pomiješati da dobijemo vodenu paru?

♦ Jednadžba kemijske reakcije nam prikazuje da u kemijsku reakciju ulaze dvije molekule vodika i jedna molekula kisika. Brojnosti vodika i kisika, prema jednadžbi, odnose se kao 2 naprama 1 (2 : 1). To zapisujemo na sljedeći način:

N (H₂ ) : N (O₂ ) = 2 : 1

Ovaj omjer brojnosti jedinki vodika i kisika (molekula vodika i kisika) naziva se stehiometrijskim omjerom.

Stehiometrijski omjer prikazuje odnos reagirajućih čestica koji iščitajemo iz jednadžbe kemijske reakcije.

♦ Otprije nam je poznato da je brojnost atoma, molekula ili iona u nekom uzorku jako velika. S tako velikim brojevima je teško baratati, pa smo rekli da brojnost jedinki u uzorku izražavamo preko druge fizikalne veličine.

O kojoj fizikalnoj veličini je riječ?

♦ Znamo da u jednom molu tvari nalazimo Avogadrov broj jedinki odnosno 6,022 × 10²³ jedinki. Brojnost jedinki i množina tvari povezani su preko Avogadrove konstante, te u našim izračunima ove dvije veličine možemo izjednačiti, stoga prethodni izraz možemo pisati u sljedećem obliku:

N (H₂) : N (O₂) = n (H₂) : n (O₂) = 2 : 1

tj:

n (H₂) : n (O₂) = 2 : 1

Omjere matematički rješavamo množenjem vanjskog člana sa vanjskim članom, te unutarnjeg člana sa unutarnjim članom.

Konačno, imamo sljedeće:

n (H₂) = 2 n (O₂)

Posljednja jednadžba nam govori koliko molova plinova treba pomiješati za ovu kemijsku reakciju.

Ako uzmemo da je množina vodika za ovu kemijsku reakciju 1 mol, slijedi da nam je potrebno duplo manje molova kisika, odnosno, 0,5 molova kisika.

Dio kemije koji se bavi proučavanjem odnosa množina reagirajućih čestica u kemijskim reakcijama naziva se stehiometrija kemijskih reakcija.

ZADATAK: 

1. a) Za kemijsku reakciju: 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)}  → 2H₂O _(g)

izračunaj mase vodika i kisika potrebnih za sintezu 20 g vodene pare?

IZRADA:

Posjedujemo podatak o masi produkta: m (H₂O) = 20 g

Iz jednadžbe kemijske reakcije imamo sljedeće:

n (H₂) : n (H₂O) = 2 : 2 = 1 : 1   ili    n (O₂) : n (H₂O) = 1 : 2        (možemo koristiti ili jedan ili drugi omjer,  rezultat će biti jednak)

Mi ćemo koristiti ovaj prvi omjer prema kojem dobivamo sljedeće:

n (H₂) = n (H₂O)

Množinu vodene pare izračunamo iz datog podatka o masi:

n (H₂O) = m (H₂O) / M (H₂O) = 20 g / 18 g mol^-1 = 1,11 mol

Budući da vrijedi: n (H₂) = n (H₂O) , slijedi da je n (H₂) = 1,11 mol

Množine vodika i kisika odnose se kao 2 : 1, tj:   n (H₂) = 2 n (O₂), odnosno n (O₂) = 1/2 n (H₂).

Iz ovoga dobivamo da je n (O₂) = 0,555 mol.

Iz dobivenih množina vodika i kisika lako izračunamo njihovu masu:

n (H₂) = m (H₂) / M (H₂)

m (H₂) = n (H₂) × M (H₂) = 1,11 mol × 2,016 g mol^-1  = 2,24 g

n (O₂) = m (O₂) / M (O₂)

m (O₂) = n (O₂) × M (O₂) = 0,555 × 32 g mol^-1  = 17,76 g

Konačno smo dobili da je za kemijsku reakciju stvaranja 20 g vodene pare potrebno 2,24 g vodika (H₂) i 17,76 g kisika (O₂).

♦ Budući da su naši reaktanti, a i produkt, plinovi, a poznato nam je da plinove opisujemo njihovim volumenom, za navedenu kemijsku reakciju izračunaj sljedeće:

1.b) volumen plinova kisika i vodika potreban za sintezu 30 L vodene pare pri standardnim uvjetima?

2. a) Jednadžbom kemijske reakcije prikaži nastajanje olovo (II) sulfida (PbS) iz olova (Pb) i sumpora (S).

Izračunaj masu olovo (II) sulfida koja nastaje reakcijom 2 g olova i 2 g sumpora.

U zadatku pod brojem 2.a) imamo sljedeću kemijsku reakciju:

Pb_(s) + S_(s)  → PbS_(s)

Iz ove jednadžbe kemijske reakcije možemo iščitati stehiometrijski omjer reaktanata:

n (Pb) : n (S) = 1 : 1

n (Pb) = n (S)

Zadane su nam polazne mase reaktanata:

m (Pb) = 2 g

m (S) = 2 g

Iz ovih zadanih, polaznih masa, možemo izračunati pripadajuću množinu tvari:

n (Pb) = m (Pb) / M (Pb) = 2 g / 207,2 g mol^-1= 0,00965 mol

n (S) = m (S) / M (S) = 2 g / 32,07 g mol^-1 = 0,0623 mol

Iz dobivenih množina polaznih tvari (reaktanata), što možeš zaključiti, kojeg reaktanta ima više?

♦ Množina, odnosno količina olova je puno manja u odnosu na množinu, odnosno količinu sumpora koju imamo na raspolaganju. To znači da ćemo u konačnici imati dosta sumpora koji nije izreagirao jer smo sve olovo utrošili.

Budući da je olovo, reaktant kojeg ima manje na raspolaganju, on će biti taj koji određuje odvijanje ove kemijske reakcije, odnosno on će biti MJERODAVNI REAKTANT.

Stoga će množina nastalog olovo (II) sulfida (PbS) biti jednaka množini utrošenog olova (Pb):

n (PbS) : n (Pb) = 1 : 1

n (PbS) = n (Pb) = 0,00965 mol

Nakon što smo dobili množinu odnosno količinu nastalog olovo (II) sulfida, lako možemo izračunati i njegovu masu:

m (PbS) = n (PbS) × M (PbS) = 0,00965 mol × 239,27 g mol^-1 = 2,31 g

Konačno, imamo da reakcijom 2 g olova i 2 g sumpora nastaje 2,31 g olovo (II) sulfida.

No, također, nam ostaje i višak sumpora. Višak sumpora dobijemo oduzimanjem utrošenog sumora od ukupne količine sumpora:

n (S_{u suvišku}) = 0,0623 mol – 0,00965 mol = 0,05265 mol

m (S_{u suvišku}) = n (S_{u suvišku}) × M (S) = 0,05265 mol × 32,07 g mol^-1 = 1,688 g

Dakle, osim što smo ovom kemijskom reakcijom dobili 2,31 g produkta, također imamo ostatak od 1,688 g neiskorištenog sumpora.

ZADACI:

1. Kemijskom reakcijom natrija i klora nastaje sol, natrijev klorid.

• Napiši jednadžbu kemijske reakcije!
• Izračunaj volumen klora potreban za ovu kemijsku reakciju pri standardnim uvjetima ako je reakcijom nastalo 5 g produkta?

2. Raspadom kalijevog klorata (KClO₃) nastaju kalijev klorid (KCl) i plinoviti klor (Cl₂).

• Napiši jednadžbu kemijske reakcije!
• Izračunaj masu kalijevog klorida koja nastaje raspadanjem 20,5 g kalijevog klorata?

3. Iz elemenata, vodika i klora, kemijskom reakcijom nastaje plin klorovodik.

•  Napiši jednadžbu kemijske reakcije!
• Izračunaj volumene vodika i klora potrebne za sintezu 5 L klorovodika pri standardnim uvjetima?
• Izračunaj volumen klorovodika koji nastaje iz jednog mola vodika i jednog mola klora? Odredi koji reaktant je mjerodavni reaktant, te koliko i kojeg reaktanta ostaje u suvišku?

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

STEHIOMETRIJA KEMIJSKIH REAKCIJA

e-učenje kemije