Stoechiometrie

Exemplu de reacție stoechiometrică: arderea metanului

Stoechiometria (sin. stoichiometrie[1], stechiometrie[2]) este o ramură a chimiei care studiază raporturile cantitative dintre elemente, în combinații sau în reacții chimice[3].

Matrice stoichiometrică

Pentru reacții complexe, stoichiometriile sunt reprezentate compact printr-o matrice stoichiometrică, notată cu simbolul ${\displaystyle \mathbf {N} }$. Dacă rețeaua multireacție are ${\displaystyle {\mathit {n}}}$ reacții și ${\displaystyle {\mathit {m}}}$ specii moleculare, matricea stoichiometrică va avea ${\displaystyle {\mathit {m}}}$ linii și ${\displaystyle {\mathit {n}}}$ coloane.

De exemplu, considerând sistemul de reacții:

S₁ → S₂

5S₃ + S₂ → 4S₃ + 2S₂

S₃ → S₄

S₄ → S₅.

Sistemul constă din patru reacții și cinci specii moleculare diferite. Matricea stoichiometrică pentru acest sistem poate fi scrisă ca:

${\displaystyle \mathbf {N} ={\begin{bmatrix}-1&0&0&0\\1&1&0&0\\0&-1&-1&0\\0&0&1&-1\\0&0&0&1\\\end{bmatrix}}}$

unde coloanele corespund la S₁, S₂, S₃, S₄ și S₅ respectiv.

Transformarea unei scheme de reacții într-o matrice stoichiometrică poate cauza pierderea unor detalii, de exemplu, stoichiometriile în a doua reacție sunt simplificate prin includerea în matrice. Aceasta înseamnă că nu e întotdeauna posibil de a alcătui schema originală de reacții dintr-o matrice stoichiometrică.

Matrice atomică în amestecuri

Conservarea atomilor în amestecuri se exprimă prin matricea atomică, care are ca elemente numerele de atomi n_i din elementul chimic e în compusul i.

Aspecte cinetice

Deseori matricea stoichiometrică este combinată cu vectorul vitezei de reacție v_r într-o ecuație compactă descriind viteza de transformare a speciilor moleculare:

${\displaystyle {\frac {d\mathbf {S} }{dt}}=\mathbf {N} \cdot \mathbf {v} .}$

Exemple de calcule stoechiometrice

Exemplul 1

Să se determine masa sulfurii de fier rezultată din combinarea a 100 de grame de fier cu sulf.

Se scrie ecuația chimică a reacției:

${\displaystyle Fe+S=FeS.}$

Deoarece fierul are masa atomică 56, iar sulful 32, din 56 grame de fier se obțin 56+32=88 grame sulfură și se stabilește proporția:

${\displaystyle {\frac {100}{56}}={\frac {x}{88}},}$

de unde

${\displaystyle x={\frac {88\cdot 100}{56}}=157,14\;g\;FeS.}$

Exemplul 2

Să se determine volumul amoniacului format prin combinarea a 300 de litri de hidrogen cu azot, gazele rezultate fiind în aceleași condiții de temperatură și presiune.

Se scrie ecuația chimică:

${\displaystyle 3H_{2}+N_{2}=2NH_{3},}$

de unde se deduce că din 3 volume de hidrogen se obțin 2 volume de amoniac și se stabilește proporția:

${\displaystyle {\frac {300}{3}}={\frac {x}{2}}.}$

Rezultă:

${\displaystyle x={\frac {300\cdot 2}{3}}=200\;l\;NH_{3}.}$

Vezi și

• Fracție molară
• Legea proporțiilor echivalente

Note

1. DEX online: Stoichiometrie
2. DEX online: Stechiometrie
3. DEX online: Stoechiometrie

Bibliografie

• D Geană Termodinamică chimică. Teoria echilibrului intre faze și chimic; Editura Politehnica Press 2003
• N. F. Stepanov, M E Erlikina, G. G. Filipov Metode ale algebrei liniare în chimia fizică, Editura Științifică și Enciclopedică. 1980