กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 14 นาที

สโตอิคิโอเมตรี

สโตอิคิโอเมตรี ( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i /)ⓘ ) คือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ก่อน ระหว่าง และหลังปฏิกิริยาเคมี

สโตอิคิโอเมตรี

แผนภาพสัดส่วนทางเคมีของ ปฏิกิริยา การเผาไหม้ของมีเทน

สโตอิคิโอเมตรี ( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i /) ) คือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ก่อน ระหว่าง และหลังปฏิกิริยาเคมี

เคมีเชิงปริมาณ (Stoichiometry) อาศัยหลักการอนุรักษ์มวลกล่าวคือ มวลรวมของสารตั้งต้นต้องเท่ากับมวลรวมของผลิตภัณฑ์ ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ต้องเป็นอัตราส่วนของจำนวนเต็มบวก หมายความว่า หากทราบปริมาณของสารตั้งต้นแต่ละชนิดแล้ว ก็สามารถคำนวณปริมาณของผลิตภัณฑ์ได้ ในทางกลับกัน หากทราบปริมาณของสารตั้งต้นชนิดหนึ่ง และสามารถหาปริมาณของผลิตภัณฑ์ได้จากการทดลอง ก็สามารถคำนวณปริมาณของสารตั้งต้นชนิดอื่นได้เช่นกัน

ภาพประกอบนี้แสดงให้เห็นถึงเรื่องนี้ โดยสมการที่ไม่สมดุลคือ:

CH 4 (ก.) + O 2 (ก.) → CO 2 (ก.) + H 2 O (ล.)
อย่างไรก็ตาม สมการปัจจุบันไม่สมดุล สารตั้งต้นมีไฮโดรเจน 4 อะตอมและออกซิเจน 2 อะตอม ในขณะที่ผลิตภัณฑ์มีไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 3 อะตอม เพื่อให้ไฮโดรเจนสมดุล จึงเติมสัมประสิทธิ์ 2 ให้กับผลิตภัณฑ์H₂O และเพื่อแก้ไขความไม่สมดุลของออกซิเจน จึงเติม สัมประสิทธิ์2ให้กับO₂ ด้วย ดังนั้น เราจะได้:
CH 4 (ก.) + 2 O 2 (ก.) → CO 2 (ก.) + 2 H 2 O (ล.)

ในสมการนี้ โมเลกุลของมีเทน 1 โมเลกุล ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของออกซิเจน 2 โมเลกุล เพื่อให้ได้โมเลกุลของ คาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุลและโมเลกุลของน้ำ 2 โมเลกุล สมการเคมีนี้เป็นตัวอย่างของการเผาไหม้สมบูรณ์ตัวเลขที่อยู่หน้าปริมาณแต่ละอย่างคือค่าสัมประสิทธิ์ทางเคมีเชิงปริมาณ ซึ่งสะท้อนถึงอัตราส่วนโมลระหว่างผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นโดยตรง เคมีเชิงปริมาณวัดความสัมพันธ์เชิงปริมาณเหล่านี้ และใช้ในการกำหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่เกิดขึ้นหรือจำเป็นในปฏิกิริยาที่กำหนด

การอธิบายความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างสารต่างๆ ในขณะที่พวกมันมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี เรียกว่าสโตอิคิโอเมตรีของปฏิกิริยาในตัวอย่างข้างต้น สโตอิคิโอเมตรีของปฏิกิริยาวัดความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของมีเทนและออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ: สำหรับทุกๆโมล (หน่วย)ของมีเทนที่ถูกเผาไหม้ จะใช้ออกซิเจน 2 โมล เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมล และเกิดน้ำ 2 โมล

เนื่องจากความสัมพันธ์ที่รู้จักกันดีระหว่างจำนวนโมลกับน้ำหนักอะตอมอัตราส่วนที่ได้จากสโตอิคิโอเมตรีจึงสามารถนำมาใช้กำหนดปริมาณโดยน้ำหนักในปฏิกิริยาที่อธิบายโดยสมการที่สมดุลได้ นี่เรียกว่า สโตอิคิโอเม ตรี เชิงองค์ประกอบ

ปริมาณสัมพันธ์ของแก๊สเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเฉพาะกับแก๊ส โดยที่แก๊สอยู่ในอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรที่ทราบ และสามารถสมมติได้ว่าเป็นแก๊สในอุดมคติสำหรับแก๊ส อัตราส่วนปริมาตรจะเท่ากันในอุดมคติ ตามกฎของแก๊สในอุดมคติแต่ต้องคำนวณอัตราส่วนมวลของปฏิกิริยาเดียวจากมวลโมเลกุลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ในทางปฏิบัติ เนื่องจากการมีอยู่ของไอโซโทปจึงใช้ มวลโมลาร์ แทนในการคำนวณอัตราส่วนมวล

นิรุกติศาสตร์

คำว่าสโตอิคิโอเมตรีถูกใช้ครั้งแรกโดยเจเรเมียส เบนจามิน ริชเตอร์ในปี ค.ศ. 1792 เมื่อหนังสือAnfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente ( ภาษาเยอรมันแปลว่า ' พื้นฐานของสโตอิคิโอเมตรี หรือศิลปะแห่งการวัดองค์ประกอบทางเคมี' ของริชเตอร์ ) เล่มแรกได้รับการตีพิมพ์[ 1 ]คำนี้มาจากคำภาษากรีกโบราณστοιχεῖον ( stoikheîon ) ซึ่งหมายถึง 'องค์ประกอบ' [ 2 ]และμέτρον ( métron ) ซึ่งหมายถึง 'การวัด' ลุดวิก ดาร์มสเตดเตอร์และราล์ฟ อี. โอเอสเปอร์ได้เขียนคำอธิบายที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับเรื่องนี้[ 3 ]

คำจำกัดความ

ปริมาณสโตอิคิโอเมตริก [ 4 ] หรืออัตราส่วนสโตอิคิโอเมตริกของรีเอเจนต์คือปริมาณหรืออัตราส่วน ที่เหมาะสมที่สุด โดยสมมติว่าปฏิกิริยาดำเนินไปจนเสร็จสมบูรณ์:

  1. สารเคมีทั้งหมดถูกใช้หมดแล้ว
  2. ไม่มีการขาดแคลนสารเคมี
  3. ไม่มีสารเคมีส่วนเกิน

สโตอิคิโอเมตรีอาศัยกฎที่ช่วยให้เข้าใจได้ดียิ่งขึ้น เช่นกฎการอนุรักษ์มวลกฎสัดส่วนคงที่ (เช่นกฎองค์ประกอบคงที่ ) กฎสัดส่วนทวีคูณและกฎสัดส่วนผกผันโดยทั่วไปปฏิกิริยาเคมี จะรวม สารเคมีในอัตราส่วนที่แน่นอนเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไม่สามารถสร้างหรือทำลายสสาร หรือเปลี่ยนธาตุหนึ่งเป็นอีกธาตุหนึ่งได้ ปริมาณของแต่ละธาตุจึงต้องเท่ากันตลอดปฏิกิริยาโดยรวม ตัวอย่างเช่น จำนวนอะตอมของธาตุ X ที่กำหนดในด้านสารตั้งต้นต้องเท่ากับจำนวนอะตอมของธาตุนั้นในด้านผลิตภัณฑ์ ไม่ว่าอะตอมเหล่านั้นทั้งหมดจะเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหรือไม่ก็ตาม[ 5 ]

ปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเป็น หน่วยปฏิบัติการระดับ มหภาคประกอบด้วยปฏิกิริยาพื้นฐาน จำนวนมาก โดยที่โมเลกุลหนึ่งทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่น เนื่องจากโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา(หรือหน่วยสูตรหรือคู่ไอออน ) ประกอบด้วย อะตอมจำนวนหนึ่งใน อัตราส่วน จำนวนเต็ม ดังนั้น อัตราส่วนระหว่างสารตั้งต้นในปฏิกิริยาที่สมบูรณ์จึงเป็นอัตราส่วนจำนวนเต็มเช่นกัน ปฏิกิริยาอาจใช้โมเลกุลมากกว่าหนึ่งโมเลกุล และจำนวนสโตอิคิโอเมตริกจะนับจำนวนนี้ โดยกำหนดให้เป็นบวกสำหรับผลิตภัณฑ์ (ที่เพิ่มเข้ามา) และเป็นลบสำหรับสารตั้งต้น (ที่ถูกกำจัดออกไป) [ 6 ]สัมประสิทธิ์ที่ไม่มีเครื่องหมายโดยทั่วไปเรียกว่าสัมประสิทธิ์สโตอิคิโอเมตริก[ 7 ]

ธาตุแต่ละ ชนิด มีมวลอะตอม (โดยปกติจะระบุเป็นค่าเฉลี่ยในรูปของน้ำหนักอะตอมมาตรฐาน ) และเมื่อพิจารณาโมเลกุลว่าเป็นกลุ่มของอะตอม สารประกอบทุกชนิดจะมีมวลโมเลกุล (ถ้าเป็นโมเลกุล) หรือมวลสูตร (ถ้าไม่ใช่โมเลกุล) ซึ่งเมื่อแสดงในหน่วยดาลตันจะมีค่าเท่ากับมวลโมลาร์ใน หน่วย กรัมต่อโมลตามนิยามแล้ว มวลอะตอมของคาร์บอน-12มีค่าเท่ากับ 12  ดาลตันทำให้มวลโมลาร์ของมันเท่ากับ 12 กรัมต่อโมล จำนวนหน่วยทางเคมีต่อโมลในสารหนึ่งๆ จะกำหนดโดยค่าคงที่ของอะโวกาโด ซึ่ง มีค่าเท่ากับ 1/2 พอดี6.022 140 76 × 10 23  mol −1ตั้งแต่การแก้ไขระบบหน่วยวัดสากล (SI ) ในปี 2019 ดังนั้น ในการคำนวณสัดส่วนทางเคมีโดยใช้มวลจำนวนโมเลกุลที่ต้องการสำหรับสารตั้งต้นแต่ละชนิดจะแสดงในหน่วยโมล และคูณด้วยมวลโมลาร์ของแต่ละชนิด เพื่อให้ได้มวลของสารตั้งต้นแต่ละชนิดต่อโมลของปฏิกิริยา อัตราส่วนมวลสามารถคำนวณได้โดยการหารแต่ละค่าด้วยมวลรวมในปฏิกิริยาทั้งหมด

ธาตุในสภาพธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปที่มีมวลต่างกัน ดังนั้น มวลอะตอมและมวลโมลาร์จึงไม่ใช่จำนวนเต็มที่แน่นอน ตัวอย่างเช่น แทนที่จะเป็นสัดส่วน 14:3 ที่แน่นอนแอมโมเนีย 17.031 กรัม ประกอบด้วยไนโตรเจน 14.007 กรัม และ ไฮโดรเจน 3 × 1.008 กรัม เนื่องจากไนโตรเจนในธรรมชาติมี ไนโตรเจน-15อยู่เล็กน้อยและไฮโดรเจนในธรรมชาติมีไฮโดรเจน-2 ( ดิวเทอเรียม ) อยู่ด้วย

สารตั้งต้นเชิงปริมาณ (stoichiometric reactant)คือสารตั้งต้นที่ถูกใช้ไปในปฏิกิริยา ต่างจากสารตั้งต้นเชิงเร่งปฏิกิริยา (catalytic reactant ) ซึ่งไม่ถูกใช้ไปในปฏิกิริยาโดยรวม เพราะมันทำปฏิกิริยาในขั้นตอนหนึ่งและถูกสร้างขึ้นใหม่ในอีกขั้นตอนหนึ่ง

การแปลงกรัมเป็นโมล

สโตอิคิโอเมตรีไม่เพียงแต่ใช้ในการดุลสมการเคมีเท่านั้น แต่ยังใช้ในการ " แปลง " ปริมาณของสารโดยการวิเคราะห์มิติเช่น การแปลงจากกรัมเป็นโมลโดยใช้มวลโมลเป็น "ตัวแปลง" หรือจากกรัมเป็นมิลลิลิตรโดยใช้ความหนาแน่นตัวอย่างเช่น ในการแสดงปริมาณ 2.00 กรัมของ NaCl ( โซเดียมคลอไรด์ ) ในรูปของโมล จะต้องทำดังนี้:

ในตัวอย่างข้างต้น เมื่อเขียนออกมาในรูปเศษส่วน หน่วยกรัมจะก่อให้เกิดเอกลักษณ์การคูณซึ่งเทียบเท่ากับหนึ่ง (กรัม/กรัม = 1) โดยปริมาณที่ได้จะเป็นหน่วยโมล (หน่วยที่ต้องการ) ดังแสดงในสมการต่อไปนี้

สัดส่วนโมล

สัดส่วนทางเคมีมักใช้ในการดุลสมการเคมี (สัดส่วนของปฏิกิริยา) ตัวอย่างเช่นก๊าซไดอะตอมิก สองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถรวมกันเพื่อสร้างของเหลว คือ น้ำ ในปฏิกิริยาคายความร้อนดังแสดงในสมการต่อไปนี้:

2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

สัดส่วนทางเคมีของปฏิกิริยาอธิบายอัตราส่วน 2:1:2 ของโมเลกุลไฮโดรเจน ออกซิเจน และน้ำในสมการข้างต้น

อัตราส่วนโมลช่วยให้สามารถแปลงจำนวนโมลของสารหนึ่งกับจำนวนโมลของสารอีกชนิดหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยา

2 CH 3 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 4 H 2 O

ปริมาณน้ำที่จะเกิดขึ้นจากการเผาไหม้CH จำนวน 0.27 โมล3OHได้มาจากการใช้สัดส่วนโมลระหว่างCH3OHและH2Oของ 2 ถึง 4

คำว่า สโตอิคิโอเมตรี มักใช้กับ สัดส่วน โมลของธาตุในสารประกอบสโตอิคิโอเมตรี (สโตอิคิโอเมตรีขององค์ประกอบ) ตัวอย่างเช่น สโตอิคิโอเมตรีของไฮโดรเจนและออกซิเจนในH₂2อัตราส่วน โมลคือ 2:1 ในสารประกอบเชิงสัดส่วน โมลสัดส่วนจะเป็นจำนวนเต็ม

การกำหนดปริมาณผลิตภัณฑ์

สโตอิคิโอเมตรีสามารถใช้หาปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาได้เช่นกัน ถ้าเติมทองแดง (Cu) ก้อนหนึ่งลงในสารละลายซิลเวอร์ไนเตรต (AgNO₃) ในน้ำซิลเวอร์( Ag )จะถูกแทนที่ในปฏิกิริยาการ แทนที่แบบเดี่ยว เกิดเป็นคอปเปอร์(II)ไนเตรต ( Cu(NO₃ ))ในสารละลาย และซิลเวอร์ก้อนหนึ่ง ถ้าเติมทองแดง 16.00 กรัมลงในสารละลายซิลเวอร์ไนเตรตที่มีปริมาณมากเกินพอ จะได้ซิลเวอร์ปริมาณเท่าใด?

จะใช้ขั้นตอนต่อไปนี้:

  1. เขียนและดุลสมการ
  2. มวลเป็นโมล: แปลงกรัมของ Cu เป็นโมลของ Cu
  3. อัตราส่วนโมล: แปลงจำนวนโมลของ Cu เป็นจำนวนโมลของ Ag ที่ผลิตได้
  4. แปลงโมลเป็นมวล: แปลงโมลของ Ag เป็นกรัมของ Ag ที่ผลิตได้

สมการที่สมดุลสมบูรณ์จะเป็นดังนี้:

Cu + 2 AgNO 3 → Cu(NO 3 ) 2 + 2 Ag

สำหรับขั้นตอนการแปลงมวลเป็นโมล มวลของทองแดง (16.00 กรัม) จะถูกแปลงเป็นโมลของทองแดงโดยการหารมวลของทองแดงด้วยมวลโมลาร์ ของทองแดง : 63.55 กรัม/โมล

เมื่อทราบปริมาณโมลของ Cu (0.2518) แล้ว เราก็สามารถกำหนดอัตราส่วนโมลได้ โดยดูจากสัมประสิทธิ์ในสมการที่ดุลแล้ว: Cu และ Ag มีอัตราส่วน 1:2

เมื่อทราบจำนวนโมลของ Ag ที่ผลิตได้คือ 0.5036 โมลแล้ว เราจึงแปลงปริมาณนี้เป็นกรัมของ Ag ที่ผลิตได้เพื่อหาคำตอบสุดท้าย:

ขั้นตอนการคำนวณทั้งหมดนี้สามารถย่อให้เหลือเพียงขั้นตอนเดียวได้:

ตัวอย่างเพิ่มเติม

สำหรับ ปฏิกิริยาระหว่าง โพรเพน( C₃H₈ )กับออกซิเจน ( O₂ ) สมการเคมีที่สมดุลคือ:

C 3 H 8 + 5 O 2 → 3 CO 2 + 4 H 2 O

มวลของน้ำที่เกิดขึ้นหากเผาไหม้โพรเพน (C₃H₈) 120 กรัมในออกซิเจน ส่วนเกินคือเท่าใด

อัตราส่วนสโตอิคิโอเมตริก

สโตอิคิโอเมตรี (Stoichiometry) ยังใช้ในการหาปริมาณที่เหมาะสมของสารตั้งต้น หนึ่ง ที่จะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งได้อย่างสมบูรณ์ในปฏิกิริยาเคมีนั่นคือ ปริมาณสโตอิคิโอเมตรีที่จะทำให้ไม่มีสารตั้งต้นเหลือทิ้งเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้น ตัวอย่างแสดงไว้ด้านล่างโดยใช้ปฏิกิริยาเทอร์ไมต์ (thermite reaction )

เฟ2 O 3 + 2 อัล → อัล2 O 3 + 2 เฟ

สมการนี้แสดงให้เห็นว่า ไอรอน(III) ออกไซด์ 1 โมลและอะลูมิเนียม 2 โมล จะผลิต อะลูมิเนียมออกไซด์ 1 โมล และ เหล็ก 2 โมลดังนั้น เพื่อให้ทำปฏิกิริยาได้อย่างสมบูรณ์กับไอรอน(III) ออกไซด์ 85.0 กรัม (0.532 โมล) จะต้องใช้อะลูมิเนียม 28.7 กรัม (1.06 โมล)

สารตั้งต้นที่จำกัดและผลผลิตร้อยละ

สารตั้งต้นจำกัดปริมาณ คือ สารตั้งต้นที่จำกัดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่สามารถเกิดขึ้นได้ และจะถูกใช้หมดไปเมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ สารตั้งต้นส่วนเกิน คือ สารตั้งต้นที่เหลืออยู่หลังจากปฏิกิริยาหยุดลงเนื่องจากสารตั้งต้นจำกัดปริมาณหมดไปแล้ว

พิจารณาสมการของการเผาตะกั่ว(II)ซัลไฟด์ (PbS) ในออกซิเจน ( O2 )เพื่อผลิตตะกั่ว(II)ออกไซด์ (PbO) และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ( SO2 ) :

2 PbS + 3 O₂ 2 PbO + 2 SO₂

เพื่อหาปริมาณผลผลิตทางทฤษฎีของตะกั่ว(II) ออกไซด์หากนำตะกั่ว(II) ซัลไฟด์ 200.0 กรัม และออกซิเจน 200.0 กรัม มาให้ความร้อนในภาชนะเปิด:

เนื่องจากปริมาณ PbO ที่เกิดขึ้นมีน้อยกว่าเมื่อเทียบกับ PbS จำนวน 200 กรัม จึงเห็นได้ชัดว่า PbS เป็นสารตั้งต้นที่จำกัดปริมาณ

ในความเป็นจริง ผลผลิตที่ได้จริงจะไม่เท่ากับผลผลิตทางทฤษฎีที่คำนวณตามหลักสัดส่วนทางเคมี ดังนั้น ผลผลิตร้อยละจึงแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

หากได้ตะกั่ว(II)ออกไซด์ 170.0 กรัม จะสามารถคำนวณเปอร์เซ็นต์ผลผลิตได้ดังนี้:

ตัวอย่าง

พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้ ซึ่งเหล็ก(III) คลอไรด์ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนซัลไฟด์เพื่อผลิตเหล็ก(III) ซัลไฟด์และไฮโดรเจนคลอไรด์ :

2 FeCl 3 + 3 H 2 S → Fe 2 S 3 + 6 HCl

มวลเชิงปริมาณสำหรับปฏิกิริยานี้คือ:

324.41กรัมFeCl₃ , 102.25 กรัมH₂S , 207.89กรัมFe₂S₃ , 218.77 กรัม HCl

สมมติว่า FeCl₃ 90.0กรัมทำปฏิกิริยากับ H₂S 52.0 กรัมเพื่อ หาตัวทำปฏิกิริยาจำกัดและมวลของ HCl ที่เกิด ขึ้นจากปฏิกิริยา เราจะเปลี่ยนปริมาณข้างต้นด้วยตัวคูณ 90/324.41 และได้ปริมาณดังต่อไปนี้ :

90.00กรัมFeCl₃ , 28.37 กรัมH₂S , 57.67 กรัม Fe₂S₃ , 60.69 กรัมHCl

สารตั้งต้น (หรือรีเอเจนต์) ที่จำกัดปริมาณคือFeCl₃ เนื่องจากใช้ไปทั้งหมด 90.00 กรัม ในขณะที่ H₂S ถูกใช้ไปเพียง 28.37 กรัมดังนั้นH₂S จึงเหลืออยู่ 52.0 − 28.4 = 23.6 กรัมมวลของ HCl ที่ผลิตได้คือ 60.7 กรัม

เมื่อพิจารณาจากสัดส่วนทางเคมีของปฏิกิริยา อาจเดาได้ว่าFeCl₃ เป็นสารตั้งต้นที่จำกัด ปริมาณ เนื่องจาก มีการใช้FeCl₃มากกว่าH₂Sถึงสามเท่า (324 กรัมเทียบกับ 102 กรัม)

อัตราส่วนทางเคมีที่แตกต่างกันในปฏิกิริยาแข่งขัน

บ่อยครั้งที่อาจเกิดปฏิกิริยาได้มากกว่าหนึ่งปฏิกิริยาเมื่อใช้สารตั้งต้นเดียวกัน ปฏิกิริยาเหล่านั้นอาจแตกต่างกันในเรื่องสัดส่วนของสารตั้งต้น ตัวอย่างเช่นการเติมหมู่เมทิลลงในเบนซีน (C6H6 )ผ่านปฏิกิริยาFriedelCraftsโดยใช้ AlCl3 เป็น ตัว เร่งปฏิกิริยา อาจทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีหมู่เมทิลหนึ่งหมู่ ( C6H5CH3) หมู่เมทิลสองหมู่ (C6H4 ( CH3 ) 2 )หรือหมู่เมทิลที่มากกว่านั้น( C6H6 n ( CH3 ) n ) ดังแสดงในตัวอย่างต่อไปนี้

C 6 H 6 + CH 3 Cl → C 6 H 5 CH 3 + HCl
C 6 H 6 + 2 CH 3 Cl → C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 2 HCl
C 6 H 6 + n CH 3 Cl → C 6 H 6− n (CH 3 ) n + n HCl

ในตัวอย่างนี้ ปฏิกิริยาใดจะเกิดขึ้นนั้นถูกควบคุมบางส่วนโดยความเข้มข้น สัมพัทธ์ ของสารตั้งต้น

สัมประสิทธิ์ทางเคมีและเลขทางเคมี

กล่าวโดยง่ายสัมประสิทธิ์ทางเคมีของส่วนประกอบใดๆ ก็คือจำนวนโมเลกุลและ/หรือหน่วยสูตรที่เข้าร่วมในปฏิกิริยาตามที่เขียนไว้ แนวคิดที่เกี่ยวข้องคือเลขทางเคมี (ตามระบบการตั้งชื่อของ IUPAC) ซึ่งสัมประสิทธิ์ทางเคมีจะถูกคูณด้วย +1 สำหรับผลิตภัณฑ์ทั้งหมด และคูณด้วย −1 สำหรับสารตั้งต้นทั้งหมด

ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยาCH₄ + 2 O₂ CO₂ + 2 H₂O จำนวนโมลของCH₄ คือ -1จำนวนโมลของO₂คือ -2 สำหรับ CO₂ จะมีค่าเป็น +1 และสำหรับH₂O จะมีค่าเป็น +2

ในเชิงเทคนิคที่แม่นยำยิ่งขึ้น เลขสัดส่วนในระบบปฏิกิริยาเคมี ขององค์ประกอบที่iถูกกำหนดดังนี้

หรือ

โดยที่คือจำนวนโมเลกุลของiและคือตัวแปรความคืบหน้าหรือขอบเขตของปฏิกิริยา[ 8 ] [ 9 ]

เลขสโตอิคิโอเมตรี  แสดงถึงระดับการมีส่วนร่วมของสารเคมีในปฏิกิริยา โดยทั่วไปจะกำหนดเลขลบให้กับสารตั้งต้น (ซึ่งถูกใช้ไป) และเลขบวกให้กับผลิตภัณฑ์สอดคล้องกับหลักการที่ว่าการเพิ่มระดับของปฏิกิริยาจะทำให้องค์ประกอบเปลี่ยนจากสารตั้งต้นไปสู่ผลิตภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาใดๆ ก็อาจถูกมองว่าเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม และในมุมมองนั้น ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปในทิศทางลบเพื่อลดพลังงานอิสระของกิบส์ของระบบ ว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในทิศทางที่เลือกไว้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณของสารที่อยู่ในระบบ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ซึ่งเป็นตัวกำหนดจลนศาสตร์และอุณหพลศาสตร์กล่าวคือสมดุลจะอยู่ทางด้านขวาหรือด้านซ้ายของสถานะเริ่มต้น

ในกลไกปฏิกิริยาสัมประสิทธิ์ทางเคมีของแต่ละขั้นตอนจะเป็นจำนวนเต็ม เสมอ เนื่องจากปฏิกิริยาพื้นฐานเกี่ยวข้องกับโมเลกุลทั้งหมดเสมอ หากใช้การแสดงปฏิกิริยารวมแบบผสม สัมประสิทธิ์บางส่วนอาจเป็นเศษส่วนตรรกยะ มักจะมีสารเคมีบางชนิดที่ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา ดังนั้นสัมประสิทธิ์ทางเคมีของสารเหล่านั้นจึงเป็นศูนย์ สารเคมีใดๆ ที่ถูกสร้างขึ้นใหม่ เช่นตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะมีสัมประสิทธิ์ทางเคมีเป็นศูนย์เช่นกัน

กรณีที่ง่ายที่สุดคือการเกิดไอโซเมอไรเซชัน

เอ → บี

โดยที่ν B  = 1เนื่องจากมีการสร้างโมเลกุลของ B หนึ่งโมเลกุลทุกครั้งที่เกิดปฏิกิริยา ในขณะที่ν A  = −1เนื่องจากโมเลกุลของ A หนึ่งโมเลกุลถูกใช้ไปอย่างแน่นอน ในปฏิกิริยาเคมีใดๆ ไม่เพียงแต่จะอนุรักษ์มวล รวมเท่านั้น แต่จำนวนอะตอมของแต่ละชนิดก็ได้รับการอนุรักษ์เช่นกัน และนี่เป็นการกำหนดข้อจำกัดที่สอดคล้องกันสำหรับค่าที่เป็นไปได้ของสัมประสิทธิ์ทางเคมีเชิงปริมาณ

โดยทั่วไปแล้ว ในระบบปฏิกิริยาทางธรรมชาติ ใดๆ รวมถึงระบบปฏิกิริยา ทางชีววิทยา มักจะมีปฏิกิริยาหลายอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีใดๆ ก็สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาหลายอย่างพร้อมกันได้ ดังนั้น จำนวนเชิงสัดส่วนของ องค์ประกอบที่ iใน ปฏิกิริยาที่ kจึงถูกกำหนดดังนี้

ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงทั้งหมด (เชิงอนุพันธ์) ในปริมาณของ ส่วนประกอบที่ iคือ

ระดับของปฏิกิริยาเป็นวิธีที่ชัดเจนและตรงไปตรงมาที่สุดในการแสดงการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ แม้ว่าจะยังไม่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายก็ตาม

สำหรับระบบปฏิกิริยาที่ซับซ้อน มักจะเป็นประโยชน์ที่จะพิจารณาทั้งการแสดงระบบปฏิกิริยาในแง่ของปริมาณสารเคมีที่มีอยู่N i  } ( ตัวแปรสถานะ ) และการแสดงในแง่ของระดับความเป็นอิสระของ องค์ประกอบที่แท้จริง ดังที่แสดงโดยขอบเขตของปฏิกิริยาξ k  }การแปลงจากเวกเตอร์ที่แสดงขอบเขตไปเป็นเวกเตอร์ที่แสดงปริมาณจะใช้เมทริกซ์ สี่เหลี่ยมผืนผ้า ที่ มีองค์ประกอบเป็นตัวเลขสัดส่วนทางเคมีν i k  ]

ค่าสูงสุดและต่ำสุดสำหรับξ k ใดๆ จะเกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่สารตั้งต้นตัวแรกหมดไปสำหรับปฏิกิริยาไปข้างหน้า หรือสารผลิตภัณฑ์ตัวแรกหมดไปหากมองว่าปฏิกิริยาถูกผลักไปในทิศทางย้อนกลับ นี่เป็น ข้อจำกัด ทางจลนศาสตร์ ล้วนๆ สำหรับ ซิมเพล็กซ์ปฏิกิริยาซึ่งเป็นระนาบในปริภูมิองค์ประกอบ หรือปริภูมิN ที่ มีมิติเท่ากับจำนวน ปฏิกิริยาเคมี ที่เป็นอิสระเชิงเส้นซึ่งจำเป็นต้องน้อยกว่าจำนวนองค์ประกอบทางเคมี เนื่องจากแต่ละปฏิกิริยาแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสารเคมีอย่างน้อยสองชนิด บริเวณที่เข้าถึงได้ของระนาบขึ้นอยู่กับปริมาณของสารเคมีแต่ละชนิดที่มีอยู่จริง ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ ปริมาณที่แตกต่างกันดังกล่าวอาจสร้างระนาบที่แตกต่างกันได้ แม้ว่าทั้งหมดจะมีสัดส่วนเชิงพีชคณิตเดียวกันก็ตาม

ตามหลักการของจลนศาสตร์เคมีและสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ปฏิกิริยาเคมีทุกชนิดสามารถย้อนกลับได้อย่างน้อยก็ในระดับหนึ่ง ดังนั้นจุดสมดุลแต่ละจุดจึงต้องเป็นจุดภายในของซิมเพล็กซ์ ผลที่ตามมาคือ ค่าสุดขั้วสำหรับξจะไม่เกิดขึ้น เว้นแต่จะเตรียมระบบทดลองโดยมีปริมาณเริ่มต้นของผลิตภัณฑ์บางชนิดเป็นศูนย์

จำนวน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นโดยอิสระ ทางกายภาพอาจมีมากกว่าจำนวนองค์ประกอบทางเคมี และขึ้นอยู่กับกลไกการเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ตัวอย่างเช่น อาจมีเส้นทาง การเกิดปฏิกิริยา 2 เส้นทาง (หรือมากกว่า) สำหรับไอโซเมอริซึมข้างต้น ปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้เอง แต่เร็วขึ้นและมีสารตัวกลางที่แตกต่างกัน ในกรณีที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา

หน่วย (ที่ไม่มีมิติ) อาจถือได้ว่าเป็นโมเลกุลหรือโมล โมลเป็นหน่วยที่ใช้กันทั่วไป แต่การนึกภาพปฏิกิริยาเคมีแบบค่อยเป็นค่อยไปในแง่ของโมเลกุลนั้นสื่อความหมายได้ดีกว่าNและξจะถูกลดรูปเป็นหน่วยโมลโดยการหารด้วยค่าคงที่ของอะโวกาโดแม้ว่า จะสามารถใช้หน่วย มวล ที่มีมิติได้ แต่ข้อความเกี่ยวกับจำนวนเต็มจะไม่สามารถนำมาใช้ได้อีกต่อไป

เมทริกซ์สโตอิคิโอเมตรี

ในปฏิกิริยาที่ซับซ้อน สัดส่วนทางเคมีมักจะแสดงในรูปแบบที่กระชับกว่าที่เรียกว่าเมทริกซ์สัดส่วนทางเคมี เมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีจะใช้สัญลักษณ์Nแทน[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

ถ้าเครือข่ายปฏิกิริยามี ปฏิกิริยา n อย่างและ มีโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง mชนิด เมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีจะมี แถว mแถว และ คอลัมน์ nคอลัมน์ ตามลำดับ

ตัวอย่างเช่น พิจารณาระบบปฏิกิริยาที่แสดงด้านล่างนี้:

S 1 → S 2
5 S 3 + S 2 → 4 S 3 + 2 S 2
S 3 → S 4
S 4 → S 5

ระบบนี้ประกอบด้วยปฏิกิริยาสี่ปฏิกิริยาและโมเลกุลชนิดต่างๆ ห้าชนิด เมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีของระบบนี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

โดยที่แถวต่างๆ สอดคล้องกับS 1 , S 2 , S 3 , S 4และ S 5ตามลำดับ กระบวนการแปลงแผนผังปฏิกิริยาเป็นเมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีอาจเป็นการแปลงที่สูญเสียข้อมูลบางส่วน ตัวอย่างเช่น สัดส่วนทางเคมีในปฏิกิริยาที่สองจะง่ายขึ้นเมื่อรวมอยู่ในเมทริกซ์ ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถกู้คืนแผนผังปฏิกิริยาเดิมจากเมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีได้เสมอไป

โดยทั่วไป เมทริกซ์สัดส่วนทางเคมีจะถูกรวมเข้ากับเวกเตอร์อัตราvและเวกเตอร์ชนิดxเพื่อสร้างสมการที่กระชับ ซึ่งก็คือสมการระบบทางชีวเคมีที่อธิบายอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลชนิดต่างๆ:

สัดส่วนของแก๊ส

ปริมาณสัมพันธ์ของแก๊สคือความสัมพันธ์เชิงปริมาณ (อัตราส่วน) ระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในปฏิกิริยาเคมีที่เกิดเป็นแก๊สปริมาณสัมพันธ์ของแก๊สใช้ได้เมื่อสมมติว่าแก๊สที่เกิดขึ้นเป็นแก๊สในอุดมคติและทราบอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรของแก๊สทั้งหมด กฎของแก๊สในอุดมคติถูกนำมาใช้ในการคำนวณเหล่านี้ โดยทั่วไป แต่ไม่เสมอไปอุณหภูมิและความดันมาตรฐาน (STP) จะถูกกำหนดให้เป็น 0 °C และ 1 บาร์ และใช้เป็นเงื่อนไขสำหรับการคำนวณปริมาณสัมพันธ์ของแก๊ส

การคำนวณสัดส่วนของแก๊สเป็นการหาค่าปริมาตรหรือมวล ที่ไม่ทราบค่า ของผลิตภัณฑ์หรือสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส ตัวอย่างเช่น หากเราต้องการคำนวณปริมาตรของแก๊สNO₂ ที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้NH₃ 100 กรัม โดยใช้ปฏิกิริยา:

4 NH 3 (g) + 7 O 2 (g) → 4 NO 2 (g) + 6 H 2 O (l)

เราจะทำการคำนวณดังต่อไปนี้:

ในสมการการเผาไหม้ที่สมดุลข้างต้นมีอัตราส่วนโมลของNH₃ต่อNO₂เท่ากับ 1: 1 ดังนั้น จะเกิดNO₂ จำนวน 5.871 โมล เราจะใช้ กฎของแก๊สอุดมคติ ในการ คำนวณ ปริมาตรที่อุณหภูมิ 0 °C (273.15 K) และความดัน 1 บรรยากาศ โดยใช้ค่าคงที่ของกฎแก๊ส R = 0.08206  L·atm· K⁻¹ · mol⁻¹

การคำนวณสัดส่วนของแก๊สโดยทั่วไปมักเกี่ยวข้องกับการทราบมวลโมลของแก๊ส เมื่อทราบความหนาแน่นของแก๊สนั้น กฎของแก๊สอุดมคติสามารถจัดเรียงใหม่เพื่อให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและมวลโมลของแก๊สอุดมคติได้:

   และ   

และด้วยเหตุนี้:

ที่ไหน:

อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงตามหลักสโตอิคิโอเมตรีของเชื้อเพลิงทั่วไป

ใน ปฏิกิริยา การเผาไหม้ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับเชื้อเพลิง และจุดที่ออกซิเจนถูกใช้หมดไปและเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้หมดพอดีเรียกว่าจุดสมดุลทางเคมี (stoichiometric point) หากมีออกซิเจนมากเกินไป (การเผาไหม้เกินสมดุลทางเคมี) ออกซิเจนบางส่วนจะยังคงไม่ทำปฏิกิริยา ในทำนองเดียวกัน หากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์เนื่องจากออกซิเจนไม่เพียงพอ เชื้อเพลิงก็จะยังคงไม่ทำปฏิกิริยา (เชื้อเพลิงที่ไม่ทำปฏิกิริยาอาจเหลืออยู่เนื่องจากปัจจัยทางกายภาพมากกว่าปัจจัยทางเคมี เช่น การเผาไหม้ช้าหรือการผสมเชื้อเพลิงและออกซิเจนไม่เพียงพอ – ซึ่งไม่ได้เกิดจากสมดุลทางเคมี) เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ มีปริมาณคาร์บอน ไฮโดรเจน และธาตุอื่นๆ แตกต่างกัน ดังนั้นสมดุลทางเคมีจึงแตกต่างกันด้วย

ออกซิเจนมีปริมาตรเพียง 20.95% ของอากาศ และมีมวลเพียง 23.20% [ 13 ]อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ระบุไว้ด้านล่างจะสูงกว่าอัตราส่วนออกซิเจนต่อเชื้อเพลิงที่เทียบเท่ากันมาก เนื่องจากมีก๊าซเฉื่อยในอากาศในสัดส่วนสูง (อัตราส่วน 14.7 ที่ระบุไว้สำหรับน้ำมันเบนซินใช้ได้เฉพาะกับการเผาไหม้ร่วมกับตัวแปลงเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น)

เชื้อเพลิง อัตราส่วนตามมวล[ 14 ]อัตราส่วนตามปริมาตร[ 15 ]ร้อยละของเชื้อเพลิงโดยมวล ปฏิกิริยาหลัก
น้ำมันเบนซิน14.7 : 1 6.9% 2 C 8 H 18 + 25 O 2 → 16 CO 2 + 18 H 2 O
ก๊าซธรรมชาติ14.5 : 1 9.7 : 1 6.9% CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
โพรเพน ( LP ) 15.67 : 1 23.9 : 1 6.45% C 3 H 8 + 5 O 2 → 3 CO 2 + 4 H 2 O
เอทานอล9 : 1 11.1% C 2 H 6 O + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O
เมทานอล6.47 : 1 15.6% 2 CH 4 O + 3 O 2 → 2 CO 2 + 4 H 2 O
เอ็น -บิวทานอล11.2 : 1 8.2% C 4 H 10 O + 6 O 2 → 4 CO 2 + 5 H 2 O
ไฮโดรเจน34.3 : 1 2.39 : 1 2.9% 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O
ดีเซล14.5 : 1 6.8% 2 C 12 H 26 + 37 O 2 → 24 CO 2 + 26 H 2 O
มีเทน17.23 : 1 9.52 : 1 5.5% CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
อะเซทิลีน13.26 : 1 11.92 : 1 7.0% 2 C 2 H 2 + 5 O 2 → 4 CO 2 + 2 H 2 O
อีเทน16.07 : 1 16.68 : 1 5.9% 2 C 2 H 6 + 7 O 2 → 4 CO 2 + 6 H 2 O
บิวเทน15.44 : 1 30.98 : 1 6.1% 2 C 4 H 10 + 13 O 2 → 8 CO 2 + 10 H 2 O
เพนเทน15.31 : 1 38.13 : 1 6.1% C 5 H 12 + 8 O 2 → 5 CO 2 + 6 H 2 O

เครื่องยนต์เบนซินสามารถทำงานได้ที่อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงแบบสโตอิคิโอเมตริก เนื่องจากน้ำมันเบนซินมีความระเหยง่ายและผสม (ฉีดพ่นหรือผ่านคาร์บูเรเตอร์) กับอากาศก่อนการจุดระเบิด ในทางตรงกันข้าม เครื่องยนต์ดีเซลทำงานแบบลีน โดยมีอากาศมากกว่าที่สโตอิคิโอเมตริกแบบง่ายต้องการ น้ำมันดีเซลมีความระเหยน้อยกว่าและเผาไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อฉีดเข้าไป[ 16 ]

ดูเพิ่มเติม

  • เอกสารเบื้องต้นเกี่ยวกับการเผาไหม้ในเครื่องยนต์จากมหาวิทยาลัยพลีมัธ
  • บทเรียนฟรีเกี่ยวกับสโตอิคิโอเมตรีจาก ChemCollective ของมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน
  • โปรแกรมเสริม Stoichiometry สำหรับ Microsoft Excel (เก็บถาวรเมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม 2011 ในWayback Machine)สำหรับคำนวณน้ำหนักโมเลกุล สัมประสิทธิ์ปฏิกิริยา และสัดส่วนทางเคมี
  • เครื่องคำนวณสัดส่วนปฏิกิริยาเคมี เป็นเครื่องคำนวณสัดส่วนปฏิกิริยาเคมีออนไลน์ฟรีที่ครอบคลุมทุกด้าน
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stoichiometry&oldid=1346754800 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สโตอิคิโอเมตรี

สโตอิคิโอเมตรี ( / ˌ s t ɔɪ k i ˈ ɒ m ɪ t r i /)ⓘ ) คือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ก่อน ระหว่าง และหลังปฏิกิริยาเคมี

นิรุกติศาสตร์

คำว่า สโตอิคิโอเมตรี ถูกใช้ครั้งแรกโดย เจเรเมียส เบนจามิน ริชเตอร์ ในปี ค.ศ.

คำจำกัดความ

ปริมาณสโตอิคิโอเมตริก [ 4 ] หรือ อัตราส่วน สโตอิคิโอเมตริก ของ รีเอเจนต์ คือ ปริมาณ หรือ อัตราส่วน ที่เหมาะสมที่สุด โดยสมมติว่าปฏิกิริยาดำเนินไปจนเสร็จสมบูรณ์:

การแปลงกรัมเป็นโมล

สโตอิคิโอเมตรีไม่เพียงแต่ใช้ในการดุลสมการเคมีเท่านั้น แต่ยังใช้ในการ " แปลง " ปริมาณของสารโดย การวิเคราะห์มิติ เช่น การแปลงจาก กรัม เป็น โมล โดยใช้ มวลโมล เป็น "ตัวแปลง" หรือจากกรัมเป็น มิลลิลิตร โดยใช้ ความหนาแน่น ตัวอย่างเช่น ในการแสดง ปริมาณ 2.