Współczynnik stechiometryczny
Z Wikipedii
Współczynnik stechiometryczny - w reakcjach chemicznych to w uproszczeniu liczba przypisana do określonego reagenta określająca proporcję w jakiej uczestniczy on w reakcji w stosunku do innych reagentów.
Zakładając, że dana reakcja przebiegła do końca i że w układzie reakcji były początkowo optymalne proporcje reagentów, współczynniki stechiometryczne są równe stosunkowi liczby moli reagujących substratów i otrzymanych z nich produktów.
Współczynniki stechiometryczne można też interpretować jako liczbę cząsteczek reagentów uczestniczących w pojedynczym akcie reakcji. Interpretacja taka jest jednak uzasadniona tylko dla reakcji prostych. Przy reakcjach złożonych nie jest to już prawdą.
Spis treści |
[edytuj] Praktyczny sens współczynników
W równaniach reakcji chemicznych współczynniki stechiometryczne pisze się tradycyjnie przed wzorem reagenta. Np zapis:
- 1 CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2O
oznacza, że gdy w układzie reakcji było początkowo 1 mol metanu i dwa mole tlenu to po pełnym ich przereagowaniu powstanie jeden mol dwutlenku węgla i dwa mole wody. Zaznaczone pogrubionym pismem liczby "2" i "1" przed wzorem tlenu i wody są właśnie współczynnikami stechiometrycznymi. W praktyce we wzorach chemicznych współczynnik stechiometryczny "1" zwykle się dla uproszczenia pomija.
Znając współczynniki stechiometryczne i masy cząsteczkowe reagentów można w prosty sposób obliczać np: ile produktu otrzyma się z określonej ilości substratów. W przypadku omawianej wyżej reakcji spalania metanu, z jej równania reakcji wynika, że:
- z jednego mola metanu otrzymać można maksymalnie 1 mol dwutlenku węgla i dwa mole wody
- do pełnego spalenia 1 mola metanu konieczne są dwa mole tlenu.
- wiedząc, że metan ma masę cząsteczkową równą 16,0425 g/mol, dwutlenek węgla 44,0095 g/mol i woda 18,01524 - można łatwo obliczyć, że całkowite spalenie 16,0425 g metanu spowoduje powstanie 44,0095 x 1 = 44,0095 g dwutlenku węga i 18,01524 x 2 = 36,03048 g wody.
[edytuj] Dokładna definicja
Jakkolwiek współczynniki stechiometryczne były intuicyjnie stosowane od co najmniej połowy XIX wieku, dopiero w latach 50. XX wieku belgijski chemik Ilya Prigogine podał dokładną i niesprzeczną definicję tego pojęcia:[1]
- W układzie, w którym zachodzi jedna reakcja chemiczna, w której uczestniczy i reagentów, współczynnik stechiometryczny i-tego reagenta jest dany wzorem:
- a zatem
- gdzie Ni to liczba cząsteczek i-tego reagenta w układzie reakcji, a ξ to współczynnik postępu reakcji równy stosunkowi rzeczywiście otrzymanych produktów do teretycznej, maksymalnej ich ilości możliwej do uzyskania w danej reakcji.
W tym ujęciu współczynnik stechiometryczny νi można interpretować jako maksymalny możliwy stopień przereagowania i-tego reagenta w danym układzie reakcji. Jeśli reakcja jest w trakcie, lub nie zaszła do końca, lub wyjściowe proporcje substratów były inne niż optymalne, to jej współczynniki stechiometryczne się nie zmieniają - jednak nie oznaczają one wówczas rzeczywistych proporcji w jakich reagenty uczestniczyły w reakcji. W rzeczywistych układach - reakcje bardzo rzadko zachodzą w 100%. W optymalnych warunkach dochodzą one do stanu równowagi chemicznej, w której szybkość analizowanej reakcji i reakcji odwrotnej się wyrównują. Proporcje reagentów w trakcie reakcji, a także w stanie równowagi odbiegają od ich współczynników stechiometrycznych o stopień ich przereagowania.
Sprawy komplikują się jeszcze bardziej dla układów, w których zachodzi na raz kilka konkurencyjnych reakcji chemicznych. Tego rodzaju układy stanowią np. podstawę funkcjonowania organizmów żywych. Definicja współczynników stechiometrycznych dla takich układów wygląda następująco:[2]
- W układzie, w którym zachodzi k reakcji, w których uczestniczy i reagentów ich współczynniki stechiometryczne dane są wzorem:
- a zatem zmiana liczby cząsteczek (Ni) i-tego reagenta dana jest wzorem:
.
W układach, w których zachodzi wiele reakcji na raz ustala się w końcu stan równowagi, który jest jednak zwykle trudny do przewidzenia, a rzeczywiste proporcje reagentów mogą znacząco odbiegać od ich współczynników stechiometrycznych. Istnieją również oscylacyjne układy reakcji, które dochodzą do równowagi przez serię cyklicznych, powtarzających się przemian, w których cyklicznie zmieniają się proporcje reagentów.
[edytuj] Bibliografia
- Tadeusz Senkowski, Stechiometria, Uniwersytet Jagielloński, Kraków 1989, ISBN 83-233-0290-1
- Marek Frączak, Zarys stechiometrii w ujęciu algebry liniowej, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1991, ISBN: Brak.
Przypisy
- ↑ Ilya Prigogine & R. Defay, translated by D.H. Everett; Chapter IV (1954). Chemical Thermodynamics. Longmans, Green & Co.
- ↑ Ilya Prigogine (1967). Thermodynamics of Irreversible Processes, 3rd ed.. Interscience: John Wiley & Sons. A simple, concise monograph. Library of Congress Catalog No. 67-29540
