Стехиометрия

Стехиоме́трия (от др.-греч. στοιχεῖον «элемент» + μετρέω «измерять») — в химии учение о количественных соотношениях между массами (объёмами для газов) веществ, участвующих в химических реакциях в качестве реагентов или продуктов. Основано на ряде стехиометрических законов (сохранения массы вещества, постоянства состава веществ, закон Авогадро и др.), открытие которых положило начало химии как точной науки и которые позднее получили обоснование в рамках теории атомно-молекулярного строения вещества. Включает нахождение химических формул, составление уравнений химических реакций и проведение расчётов с их использованием➤. Стехиометрическими называют соотношения, в которых вещества согласно этим законам вступают в химические реакции➤. Также стехиометрическими (или дальтонидами) называют химические соединения с соответствующим этим законам постоянным качественным и количественным составом, в противовес нестехиометрическим соединениям с переменным составом (бертолидам)➤. Вычисления на основе стехиометрических правил активно применяются в препаративной химии, химическом анализе, химической технологии, металлургии^[1]^[2]^[3]. Термин введен Рихтером в 1792 году^[4]➤.

Этимология

Термин «стехиометрия» ввёл И. Рихтер в книге «Начала стехиометрии, или Искусство измерения химических элементов» (J. B. Richter. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente. Erster, Zweyter und Dritter Theil. Breßlau und Hirschberg, 1792-93), обобщивший результаты своих определений масс кислот и оснований при образовании солей^[4].

Термин происходит от древнегреческих слов стоихеион (στοιχεῖον — «элемент») и метрон (μέτρον — «мера»). Слово «стехиометрия» использовалось патриархом Константинопольским Никифором для обозначения количества строк в каноническом Новом Завете и некоторых апокрифах.

Стехиометрическое соотношение

Если исходные вещества вступают в химическое взаимодействие в строго определённых соотношениях, а в результате реакции образуются продукты, количество которых поддаётся точному расчёту, то такие реакции называются стехиометрическими, а описывающие их химические уравнения — стехиометрическими уравнениями. Зная относительные молекулярные массы различных соединений, можно рассчитать, в каких соотношениях эти соединения будут реагировать. Мольные соотношения между веществами — участниками реакции показывают коэффициенты, которые называют стехиометрическими (они же — коэффициенты химических уравнений, они же — коэффициенты уравнений химических реакций)^[5]^[6]. Если вещества реагируют в соотношении 1:1, то их стехиометрические количества называют эквимолярными

Стехиометрические и нестехиометрические соединения

Понятие стехиометрии относят не только к химическим реакциям, но к составу химических соединений. В стехиометрических соединениях химические элементы присутствуют в строго определённых соотношениях (соединения постоянного стехиометрического состава, они же дальтониды). Примером стехиометрических соединений могут служить вода Н₂О, сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁ и практически все другие органические, а также множество неорганических соединений.

В то же время подавляющее большинство неорганических соединений преимущественно немолекулярного строения в силу разных причин могут иметь переменный состав. Вещества, для которых наблюдаются отклонения от законов стехиометрии, называют нестехиометрическими или бертолидами^[1]. Так, оксид титана(II) имеет переменный состав^[7], в котором на один атом титана может приходиться от 0,65 до 1,25 атома кислорода. Натриевольфрамовая бронза^[8] (относящийся к оксидным бронзам вольфрамат натрия) по мере удаления из неё натрия меняет свой цвет от золотисто-жёлтого (NaWO₃) до тёмного сине-зелёного (NaO•3WO₃), проходя через промежуточные красный и фиолетовый цвета^[9]. И даже хлорид натрия может иметь нестехиометрический состав, приобретая синий цвет при избытке металла^[10]. Отклонения от законов стехиометрии наблюдаются для конденсированных фаз и связаны с образованием твёрдых растворов (для кристаллических веществ), с растворением в жидкости избытка компонента реакции или термической диссоциацией образующегося соединения (в жидкой фазе, в расплаве).

Примеры использования

Законы стехиометрии используют в расчётах связанных с формулами веществ и нахождением теоретически возможного выхода продуктов реакции. Рассмотрим для примера реакцию горения термитной смеси:

{\ce {Fe2O3 + 2 Al -> Al2O3 + 2 Fe}}

.

Сколько граммов алюминия необходимо взять для завершения реакции с 85,0 граммами [[ оксида железа(III)?

Молярные массы оксида железа и алюминия 159,69 и 27 г/моль соответственно. На 1 моль оксида железа, согласно уравнению реакции, требуется 2 моля алюминия, т. е. на 159,69 г оксида железа требуется 54 г алюминия. Соответственно, по формуле пропорции на 85 г оксида железа требуется:

85⋅54/159,69 = 28,74 г.

Таким образом, для проведения реакции с 85,0 г оксида железа(III) необходимо 28,74 г алюминия.

См. также

В Викисловаре есть статья «стехиометрия»

Примечания

↑ ¹ ² Химическая энциклопедия, т. 4, 1995, с. 437.
↑ БСЭ, 1-е изд., т. 52, 1947, с. 885.
↑ БСЭ, 2-е изд., т. 40, 1957, с. 641.
↑ ¹ ² Richter, J.B. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente : [нем.]. — Breslau and Hirschberg, (Germany) : Johann Friedrich Korn der Aeltere, 1792. — Vol. vol. 1. — P. 121. Архивная копия от 7 января 2022 на Wayback Machine
↑ В химической термодинамике стехиометрические коэффициенты исходных веществ (реагентов) считают отрицательными
↑ Nijmeh, Joseph; Tye, Mark Stoichiometry and Balancing Reactions (неопр.). LibreTexts (2 октября 2013). Дата обращения: 5 мая 2021. Архивировано 22 апреля 2021 года.
↑ Реми Г., Курс неорганической химии, т. 2, 1966, с. 73.
↑ Химическая энциклопедия, т. 1, 1988, с. 321.
↑ Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2, 1972, с. 378.
↑ Некрасов, Т. 2, 1973, с. 232.

Литература

Большая Советская Энциклопедия. — 1-е изд. — М.: ОГИЗ — Советская энциклопедия, 1947. — Т. 52. — 944 с.
Большая Советская Энциклопедия. — 2-е изд. — М.: Большая Советская Энциклопедия, 1957. — Т. 40. — 648 с.
Некрасов Б. В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.
Некрасов Б. В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 2. — 688 с.
Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1963. — Т. 1. — 920 с.
Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1966. — Т. 2. — 838 с.
Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. — М.: Мир, 1971. — Т. 1. Химия металлов. — 560 с.
Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. Химия металлов. — 872 с.
Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — 624 с.
Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Полимерные материалы — Трипсин. — 640 с. — ISBN 5-85270-092-4.

[_41dce5d6efd31b0d-1] ¹ ² Химическая энциклопедия, т. 4, 1995, с. 437.

[_3e4fc06ca43eb7ee-2] БСЭ, 1-е изд., т. 52, 1947, с. 885.

[_b6ffb3711cb73649-3] БСЭ, 2-е изд., т. 40, 1957, с. 641.

[:0-4] ¹ ² Richter, J.B. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente : [нем.]. — Breslau and Hirschberg, (Germany) : Johann Friedrich Korn der Aeltere, 1792. — Vol. vol. 1. — P. 121. Архивная копия от 7 января 2022 на Wayback Machine

[5] В химической термодинамике стехиометрические коэффициенты исходных веществ (реагентов) считают отрицательными

[6] Nijmeh, Joseph; Tye, Mark Stoichiometry and Balancing Reactions (неопр.). LibreTexts (2 октября 2013). Дата обращения: 5 мая 2021. Архивировано 22 апреля 2021 года.

[_a7476a2ff6f9583e-7] Реми Г., Курс неорганической химии, т. 2, 1966, с. 73.

[_c0600c27d126acb4-8] Химическая энциклопедия, т. 1, 1988, с. 321.

[_ffeca2657bfe91f9-9] Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2, 1972, с. 378.

[_a5e509814ff70e8f-10] Некрасов, Т. 2, 1973, с. 232.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]