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]➤.

Титульный лист второго издания книги И. Рихтера

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:

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

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

• Гравиметрический анализ
• Кислородный баланс
• Стехиометрическая валентность
• Стехиометрическая горючая смесь
• Титриметрический анализ

Примечания

1. Химическая энциклопедия, т. 4, 1995, с. 437.
2. БСЭ, 1-е изд., т. 52, 1947, с. 885.
3. БСЭ, 2-е изд., т. 40, 1957, с. 641.
4. 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.
7. Реми Г., Курс неорганической химии, т. 2, 1966, с. 73.
8. Химическая энциклопедия, т. 1, 1988, с. 321.
9. Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2, 1972, с. 378.
10. 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.