کسرهای تبدیل استوکیومتری – به زبان ساده + توضیح کامل و مثال

کسرهای تبدیل در تمامی‌ علوم کاربرد دارند. این کسرها برای تبدیل یک واحد اندازه‌گیری به واحدی دیگر و برای حل مسائل به کار می‌روند. در شیمی، کسرهای تبدیل استوکیومتری اغلب برای موازنه معادله واکنش‌های شیمیایی و حل مسائل استوکیومتری استفاده می‌شوند. برای موازنه معادله شیمیایی و حل این مسائل، باید با مفاهیمی‌مانند اتم، عنصر، عدد جرمی، جرم مولی، عدد اتمی، مول و غیره آشنا باشیم و مفاهیم پایه ریاضیات مانند ضرب و تقسیم را به درستی به کار گیریم. مهمترین کسرهای تبدیل استوکیومتری آن‌هایی هستند که مقادیر مول را به مول، گرم و لیتر تبدیل می‌کنند. در این مبحث از مجله فرادرس به بررسی چگونگی استفاده از روابط استوکیومتری موجود در معادلات شیمیایی و روش موازنه آن‌ها و همچنین به دست آوردن مقادیر مختلف ترکیبات موجود در واکنش با کسرهای تبدیل استوکیومتری می‌پردازیم. با این روش‌ها میتوانیم مقدار دقیق واکنش دهنده‌ها و فراورده‌ها را به دست آوریم.

در شیمی‌، واکنش‌های شیمیایی با فرمول‌هایی حاوی نماد عناصر و ترکیبات و مقادیر آن‌ها نشان داده می‌شوند.واکنش دهنده‌ها در سمت چپ و فراورده‌ها در سمت راست معادله نوشته می‌شوند و دو سمت معادله با فلشی یک یا دوجهتی به یکدیگر مربوط می‌شوند. در این واکنش‌های شیمیایی، تعداد اتم‌های هر دو طرف معادله با یکدیگر برابر است تا قانون بقای جرم رعایت شود. کسرهای تبدیل استوکیومتری، ضرایب تبدیلی مناسب برای به‌دست آوردن مقادیری از هر عنصر و مولکول در واکنش در واحد مورد نظر هستند. در ادامه این مطلب درباره مفهوم استوکیومتری و اهمیت این کسر‌های تبدیل در آن مطالعه می‌کنیم. هم‌چنین مبانی استوکیومتری را می‌آموزیم و براساس آن‌ها یاد می‌گیریم چگونه واکنش‌های شیمیایی را موازنه کنیم. سپس با انواع کسرهای تبدیل استوکیومتری آشنا شده و درباره واکنش دهنده محدود کننده و بازده نظری واکنش توضیح می‌دهیم. با مطالعه این مطلب تا انتها، با این مفاهیم پایه‌ای مهم و مثال‌های آن آشنا شوید.

استوکیومتری چیست؟

استوکیومتری مطالعه روابط کمی مواد شرکت کننده در واکنش شیمیایی است. معادله شیمیایی درست، معادله‌ای است که موازنه شده باشد. معادله متوازن، نشان می‌دهد که چه واکنش دهنده‌هایی با چه مقادیری باهم ترکیب می‌شوند تا چه فراورده‌هایی را تشکیل دهند. همچنین در معادله موازنه شده، روابط عددی بین واکنش دهنده‌ها و محصولات نیز به درستی نشان داده می‌شود. این روابط عددی به عنوان استوکیومتری شناخته می‌شوند. استوکیومتری شاخه‌ای از شیمی‌ است که شامل استفاده از روابط بین واکنش دهنده‌ها یا محصولات در واکنش شیمیایی برای تعیین داده‌های کمی مورد نظر است.

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم – حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی در فرادرس

کلیک کنید

یکی از بحث‌های مهم شیمی‌، استوکیومتری است. استوکیومتری در واقع مطالعه مقادیر واکنش دهنده‌ها و فراورده‌ها در واکنش شیمیایی است. این کلمه از دو قسمت یونانی به نام استوکیون (عنصر) و مترون (اندازه) گرفته شده است. بنابراین استوکیومتری به‌طور لغوی به معنی اندازه‌گیری عناصر است. استوکیومتری گاهی وقت‌ها به نام روابط جرمی بین اجزای واکنش نیز شناخته می‌شود. برای استفاده از روابط و کسرهای تبدیل استوکیومتری، نیاز است ابتدا روابط بین واکنش دهنده‌ها و فراورده‌ها و دلیل وجود این روابط درک شود. درک این روابط نیز نیاز به فهم روش انجام موازنه واکنش‌های شیمیایی را دارد.

مبانی استوکیومتری

برای استفاده از استوکیومتری در محاسبات مربوط به واکنش‌های شیمیایی، مهم است که ابتدا روابط موجود بین فراورده‌ها و واکنش دهنده‌ها و دلایل وجود آن‌ها را درک کنیم که این امر نیازمند فهم تعادل واکنش‌ها است. روابط جرمی بین اجزای واکنش بر سه اصل مهم بنا شده‌اند. اگر این اصول رعایت شوند، امکان پیش‌بینی و محاسبات معتبر برای واکنش شیمیایی فراهم می‌شود.

• قانون حفظ جرم: در این قانون گفته می‌شود که جرم واکنش دهنده‌ها و فراورده‌ها برابر است.
• قانون نسبت‌های متعدد: در این قانون گفته می‌شود که عناصر در واکنش، با نسبت ثابتی با اعداد صحیح ترکیب می‌شوند.
• قانون ترکیب ثابت: در این قانون گفته می‌شود تمام نمونه‌های ترکیب شیمیایی مشخص دارای عنصر یکسانی هستند.

یادگیری شیمی پایه دهم با فرادرس

یکی از پایه‌ای‌ترین مباحث شیمی مسائل استوکیومتری و موازنه مواد است. یادگیری این مباحث از اهمیت بالایی برخوردار است. برای یادگیری موازنه مواد باید با مفاهیمی مانند جرم اتمی، ساختار اتم، پیوند کووالانسی و استوکیومتری واکنش آشنا شد. این مفاهیم به طور کامل و با زبانی ساده در مجموعه آموزش پایه دهم و در بخش آموزش شیمی پایه دهم آموزش داده شده‌اند. همچنین مثال‌های فراوان برای تمرین بیشتر این مباحث در این آموزش‌ها آورده شده است. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر این مباحث به مجموعه فیلم آموزش پایه دهم خصوصا فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم مراجعه کنید. در فهرست زیر به چند نمونه از این آموزش‌ها اشاره کرده‌ایم.

هم‌چنین با مراجعه به صفحه‌های زیر می‌توانید به آموزش‌های بیشتر در این زمینه دسترسی داشته‌ باشید.

• فیلم آموزش موازنه انرژی و مواد
• فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ به همراه مرور و حل مساله
• فیلم آموزش شیمی عمومی جامع و با مفاهیم کلیدی

اهمیت کسرهای تبدیل در استوکیومتری

فرمول‌های عناصر و ترکیبات باید در طول واکنش تغییر کنند، اما مقدار نسبی هر اتم یا یون درگیر در واکنش باید ثابت بماند. زیرنویس‌هایی که در فرمول شیمیایی موجود هستند، به ماهیت عنصر، یون یا ترکیب مربوطه وابسته‌اند و نمی‌توان آنها را تغییر داد تا قانون بقای ماده رعایت شود. این قانون ایجاب می‌کند که در طی واکنش شیمیایی هیچ ذره‌ای تولید یا نابود نشود. در نتیجه، بیشتر واکنش‌ها باید موازنه شوند تا هرگونه تفاوت نسبی بین فرمول‌های واکنش دهنده‌ها و محصولات درگیر در واکنش در نظر گرفته شود.

علاوه بر این، ضرایب استوکیومتری نسبت حضور واکنش دهنده‌ها را به فراورده‌ها نشان می‌دهند. تعداد اتم‌ها یا مولکول‌های محصول تولید شده، نسبت به مقدار واکنش دهنده‌های مصرف شده، توسط این ضرایب تعیین می‌شوند. با استفاده از این دو پارامتر می‌توان مقادیر جرم، حجم و ... ترکیبات و اتم‌های شرکت‌کننده در واکنش را به وسیله کسر‌های تبدیل استوکیومتری به دست آورد. استوکیومتری، که به بررسی مقدار مواد در حین واکنش‌های شیمیایی می‌پردازد، یکی از مفاهیم اساسی در شیمی‌ به‌شمار می‌رود. بنابراین،کسرهای تبدیل استوکیومتری موجود در واکنش مقادیر شیمیایی مهمی‌ هستند.

ضرایب و نسبت‌های استوکیومتری در شیمی‌ مانند دستوری برای پخت مواد غذایی که نسبت مواد را تعیین می‌کند، روند انجام واکنش تا رسیدن به فراورده‌ها را کمی‌سازی می‌کنند.

مفاهیم و مسائل رایج استوکیومتری

مقادیر کمی در مسائل استوکیومتری، به صورت اتم، گرم، مول و واحد‌های اندازه‌گیری حجم بیان می‌شوند. به همین علت، نیاز است که تبدیل‌های واحد ریاضیات به خوبی در این مسائل به‌کار گرفته شوند. در ادامه به توضیح مهم‌ترین مفهوم استوکیومتری که واحد اندازه‌گیری ذرات (مول) است می‌پردازیم مسائل رایج کسرهای تبدیل در استوکیومتری را بیان می‌کنیم.

مفهوم مول

مول، در شیمی، واحد علمی‌ استانداردی برای اندازه‌گیری مقادیر زیاد از اجزای بسیار کوچک مانند اتم‌ها، مولکول‌ها یا سایر ذرات ترکیبات است.

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

مول پیش‌تر به عنوان تعداد اتم‌هایی که به‌طور تجربی در ۱۲ گرم کربن-۱۲ یافت می‌شود تعریف شده بود. تعداد واحدهای موجود در یک مول همچنین به احترام فیزیک‌دان ایتالیایی آمدئو آووگادرو به نام عدد آووگادریا ثابت آووگادرو نامیده می‌شود. آووگادرو پیشنهاد داد که حجم‌های مساوی از گازها تحت شرایط یکسان، تعداد یکسانی مولکول دارند. این فرضیه در تعیین وزن‌های اتمی‌ و مولکولی مفید واقع شد و منجر به پیدایش مفهوم مول گردید.

مفهوم مول پارامتری است که برای بیان مقدار ماده استفاده می‌شود. این موضوع به طور تجربی ثابت شده است که یک اتم گرم از هر عنصر و همچنین یک مولکول گرم از هر ماده، مقدار یکسانی از ذرات را در خود دارد. عدد تعیین شده به طور تجربی برابر با $$6.022137 × 10^{23}$$ است. پس از کشف مفهوم مول، مشکل یافتن جرم‌های اتمی‌ مطلق اتم‌ها حل شد. زیرا مفهوم مول به شمارش تعداد اتم‌ها یا مولکول‌ها در مقدار معین از ماده کمک می‌کند.

به عنوان مثال، در واکنش شیمیایی $$2H_2O → O_2 + 2H_2$$ دو مول آب به دو مول هیدروژن مولکولی و یک مول اکسیژن مولکولی تجزیه می‌شود. مول می‌تواند برای تعیین ساده‌ترین فرمول ترکیب و همچنین محاسبه مقادیر موجود در واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. در هنگام بررسی واکنش‌هایی که در محلول‌ها رخ می‌دهند، مفهوم مرتبط با مورلاریته مفید است. مورلاریته (M) به عنوان تعداد مول‌های یک حلال در یک لیتر محلول تعریف می‌شود.

مفهوم جرم مولی

یکی از مفاهیم مهم در معادلات استوکیومتری، مفهوم جرم مولی است. جرم مولی نسبت پرکاربرد بین جرم ذرات و مقدار مول آن‌هاست. جرم مولی هر ماده مقدار وزن یک مول از آن بر حسب گرم است و برای هر عنصر مقداری منحصر به فرد دارد. این مقادیر برای هر اتم یا یون در جدول تناوبی ارائه شده و در دسترس هستند. برای ترکیبات و مولکول‌ها، جرم مولی مجموع اجرام مولی تمام اتم‌هاست. در ادامه مثالی برای درک بهتر این موضوع آورده شده است.

برای محاسبه جرم مولی آب $$H_2O$$ روش زیر را به‌کار می‌گیریم.

جرم مولی = $$2 \times (1.00794\; g/mol) + 1 \times (15.9994\; g/mol) = 18.01528\; g/mol \nonumber$$

در این معادله، ۱.۰۰۷۹۴ جرم مولی هیدوژن و ۱۵.۹۹۹۴ جرم مولی اکسیژن است.

مفهوم ضریب استوکیومتری

ضرایب استوکیومتری اعدادی هستند که در معادله واکنش‌های شیمیایی در سمت چپ عناصر نوشته می‌شوند و به ما نشان می‌دهند مواد با چه نسبتی باهم ترکیب شده و فراورده‌ها را با چه نسبتی تولید می‌کنند.

ضرایب استوکیومتری یک واکنش موازنه شده، نسبتی همواره ثابت دارند و این نسبت هرگز تغییر نمی‌کند.

تفسیر واکنش‌های شیمیایی

در مبحث قبلی آموختیم که یک مول از هر ماده مقدار عدد آووگادرو ضرب در مقدار ذرات آن ماده است. حال می‌خواهیم بدانیم این مفهوم را چگونه می‌توان در واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد. برای مثال معادله واکنش تولید آمونیاک را در نظر بگیرید. در این واکنش آمونیاک از هیدروژن و نیتروژن تولید می‌شود و یک فرایند صنعتی بسیار مهم به نام فرایند هابر است.

$${ N}_2\;(g) + 3 { H}_2\;(g) \rightarrow 2 { NH}_3\;(g)$$

ضرایب سمت چپ عناصر، ضرایب استوکیومتری هستند که به ما می‌گویند چه تعداد از هر ماده در واکنش شرکت می‌کنند. برای هر واحد گاز نیتروژن، ۳ واحد گاز هیدروژن داریم و از واکنش آن‌ها ۲ واحد گاز آمونیاک به دست می‌آید. این واحد به کار رفته می‌تواند مقدار مول، مولکول یا ضرایبی از این مقادیر باشد.

موازنه واکنش‌های شیمیایی

با اینکه در طول یک واکنش شیمیایی ترکیب‌های شیمیایی تجزیه شده و ترکیب‌های جدیدی شکل می‌گیرند، اتم‌های موجود در واکنش دهنده‌ها ناپدید نمی‌شوند و اتم‌های جدیدی برای تشکیل محصولات ظاهر نمی‌شوند. در واکنش‌های شیمیایی، اتم‌ها هرگز خلق یا نابود نمی‌شوند. همان اتم‌هایی که در واکنش دهنده‌ها حضور دارند، در محصولات نیز وجود دارند و فقط به ترتیب‌های متفاوتی جای‌گیری کرده‌اند. در یک معادله شیمیایی، تعداد اتم‌ها باید در دو طرف معادله، یعنی سمت واکنش دهنده‌ها و محصولات، برابر باشد.

فیلم آموزش موازنه انرژی و مواد در فرادرس

کلیک کنید

اصل تعادل واکنش‌های شیمیایی، براساس قانون بقای جرم است که بیان می‌کند مواد در هر فرمی، مانند اتم‌ها و مولکول‌ها، نمی‌توانند خلق یا نابود شوند. این بدان معناست که باید جرم یکسانی از اتم‌ها در هر دو سمت معادله شیمیایی وجود داشته باشد و بنابراین تعداد یکسانی از اتم‌ها نیز باید وجود داشته باشد.

به عنوان مثال، واکنش شیمیایی ساده $$Ca + Cl_2 → CaCl_2$$ را در نظر بگیرید. این معادله از پیش موازنه است زیرا تعداد اتم‌های Ca و Cl در هر دو سمت یکسان است. موازنه معادله شامل تغییر ضرایب است. ضرایب اعدادی هستند که قبل واکنش دهنده‌ها یا محصولات قرار می‌گیرند تا آن‌ها را ضرب کنند.

برای مثال معادله واکنش شیمیایی تولید آب را از اتم‌های اکسیژن و هیدروژن در نظر بگیرید. اگر یک مول از مولکول اکسیژن و یک مول از مولکول هیدروژن داشته باشیم فرم مولکولی واکنش به شکل زیر در می‌آید.

$$\mathrm{H}_2 (g) + \mathrm{O}_2 (g) \rightarrow \mathrm{H}_2\mathrm{O} (g)$$