Стехиометрия изучает количественные соотношения между веществами в химических реакциях. Центральными понятиями являются моль, молярная масса, количество вещества, а также соотношение реагентов и продуктов в реакции.
Моль — это единица измерения количества вещества, содержащая 6, 022 × 1023 частиц (атомов, молекул, ионов). Молярная масса вещества M выражается в граммах на моль и равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы или формульной единицы вещества:
M = ∑Ar
где Ar — относительная атомная масса элемента.
Количество вещества n рассчитывается через массу m и молярную массу M:
$$ n = \frac{m}{M} $$
Закон сохранения массы утверждает, что в замкнутой системе масса веществ до и после химической реакции остаётся неизменной. Если обозначить массы исходных веществ через mреагенты, а массы продуктов реакции через mпродукты, то:
mреагенты = mпродукты
Этот закон лежит в основе всех количественных расчётов в химии, позволяя определять недостающие массы или количества вещества одного из компонентов реакции.
Закон постоянства состава формулируется так: химическое соединение всегда содержит элементы в фиксированных массовых долях. Например, вода H2O содержит водород и кислород в массе примерно 11,2 % и 88,8 % соответственно, независимо от способа получения.
Массовая доля элемента в соединении вычисляется по формуле:
$$ w_i = \frac{m_i}{m_\text{соединения}} \cdot 100\% $$
где mi — масса элемента, mсоединения — масса соединения.
Закон кратных отношений (Дальтона) утверждает, что если два элемента образуют несколько соединений между собой, то массы одного элемента, приходящиеся на фиксированное количество другого, находятся в простых целых численных соотношениях. Например, углерод и кислород образуют CO и CO2; отношение массы кислорода на один атом углерода составляет 1:2.
Химическая реакция записывается с использованием стехиометрического уравнения, отражающего закон сохранения массы и атомов. Коэффициенты перед формулами показывают количество молей каждого вещества.
Например, реакция горения метана:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
означает, что на 1 моль метана требуется 2 моля кислорода, образуются 1 моль диоксида углерода и 2 моля воды.
Стехиометрические расчёты позволяют определить:
Пример: при полном сгорании 16 г метана образуется 44 г CO2 и 36 г H2O. Расчёт базируется на соотношении молей и молярных масс:
$$ n_{CH_4} = \frac{16}{16} = 1 \text{ моль}, \quad n_{CO_2} = n_{CH_4} = 1 \text{ моль}, \quad m_{CO_2} = 1 \cdot 44 = 44 \text{ г} $$
Стехиометрические коэффициенты применяются не только для расчёта массы и количества вещества, но и для анализа реакций ограниченного реагента, выхода продуктов, разбавлений и смешений растворов.
При использовании растворов важны молярная концентрация $C = \frac{n}{V}$ и объём раствора V. Расчёт количества вещества ведётся через:
n = C ⋅ V
Стехиометрические законы обеспечивают:
Эти законы являются фундаментом для всех разделов химии, включая неорганическую, органическую и аналитическую химию, и позволяют интегрировать количественные и качественные аспекты химических процессов.