استوکیومتری

استوکیومتری ( برگرفته تاز واژه های یونانی Stoichein به معنی عنصر و metron به معنی اندازه گیری ) شاخه ای از علم شیمی است که با روابط کمی میان عناصر در تشکیل مواد مرکب و میان عناصر و مواد مرکب در واکنشهای شیمیایی سروکار دارد. استوکیومتری یک ماده مرکب بر فرمول شیمیایی آن ماده مرکب استوار است.

فرمول شیمیایی مواد
اگر ماده مرکب از مولکولها ساخته شده باشد، فرمول مولکولی ، عده دقیق هر نوع اتم موجود در یک مولکول را بدست می‌دهد. اگر ماده مرکب از یونها ساخته شده باشد، فرمول با استفاده از ساده‌ترین نسبت عدد صحیح یونهای موجود در یک بلور ماده مرکب نوشته می‌شود. بعضی از عناصر و مواد نیز وجود دارند که نه مولکولی‌اند و نه یونی هستند؛ مثلا در الماس ، تعداد زیادی اتمهای کربن در یک الگوی بلوری سه‌بعدی ، با شبکه ای از پیوندهای مشابه با پیوندهایی که در مولکولها یافت می‌شوند، به هم متصل شده‌اند و همچنین فلزات ، ساختارهایی دارند که در آنها تعداد زیادی اتم با پیوندهایی به نام پیوندهای فلزی به هم متصل شده‌اند.

اصول استوکیومتری
اصول استوکیومتری درباره واکنشهای شیمیایی از معادلات شیمیایی واکنشها استخراج می‌شوند. معادلات شیمیایی نماینگر واکنشهای شیمیایی هستند با نمادها و فرمولهای عناصر و مواد مرکبی که در این واکنشها در گیرند. تفسیر استوکیومتری یک معادله شیمیایی بر مبنای مول استوار است.

مول
یک مول از یک عنصر شامل عدد آووگادرو اتم از آن عنصر است و جرمی با وزن اتمی آن عنصر بر حسب گرم دارد و مقدار عدد آووگادرو عبارت از:6,02 * 10²³
یک مول از یک ماده مرکب شامل عدد آووگادرو و واحد فرمولی از آن ماده مرکب است و جرمی برابر با وزن فرمولی ( یا اگر ماده مرکب مولکولی است، برابر با وزن مولکولی ) آن ماده مرکب بر حسب گرم دارد. با تفسیر فرمولهای مرکب بر حسب مول ، ترکیب درصد مواد مرکب را می‌توان بدست آورد و دیگر مسائل استوکیومتری را حل کرد.

ترکیب درصد مواد مرکب
ترکیب درصد یک ماده مرکب از روی فرمول آن ماده مرکب به‌آسانی محاسبه می‌شود. زیروندهای فرمول ، عده مولهای هر عنصر در یک مول ماده مرکب را بدست می‌دهد. از این اطلاعات و از وزنهای اتمی عناصر ، می‌توانیم عده گرمهای هر عنصر موجود در یک مول ماده مرکب را بدست آوریم. درصد یک عنصر معین ، 100 برابر جرم آن عنصر تقسیم بر جرم مول ماده مرکب است. ترکیب درصد یک ماده مرکب در بسیاری مواقع بوسیله تجزیه شیمیایی معین می‌شود. سپس این داده‌ها می‌تواند برای یافتن فرمول تجربی یک ماده مرکب بکار آید.

فرمول تجربی و فرمول مولکولی
اگر ترکیب درصد یک ماده مرکب با آزمایش معین شود، یعنی تجزیه شیمیایی ، نسبتهای جرمی عناصری که یک ماده را می‌سازند، بدست دهد، فرمول تجربی یک ماده مرکب بدست می‌آید. فرمول تجربی ، نسبتهای اتمی یک ماده مرکب ، یعنی تعداد نسبی اتمهای گوناگونی که آن ماده مرکب را می‌سازند، مشخص می‌کند.

فرمول مولکولی ، ترکیب اتمی واقعی مولکول را بدست می‌دهد و می‌توان آنرا با استفاده از فرمول تجربی بدست آورد، در صورتی که وزن مولکولی ماده مرکب معلوم باشد. برای مثال ، فرمول مولکولی هیدروژن پراکسید ، H₂O₂ ، نشان می‌دهد که دو اتم هیدروژن و دو اتم اکسیژن در یک مولکول هیدروژن پراکسید وجود دارد. اما فرمول تجربی آن ، ساده‌ترین نسبت عدد صحیح یعنی HO می باشد و برای بعضی از مواد مرکب مولکولی ، فرمولهای مولکولی و تجربی یکسان‌اند نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: H₂O -H₂SO₄ – CO₂ – NH₃ .

زیروندهای این فرمولها را نمی‌توان به هیچ نسبت ساده‌تری کاهش داد، اما برای بسیاری از مواد مرکب مولکولی فرمولهای مولکولی و تجربی متفاوت‌اند.

وزن مولکولی
وزن فرمولی یک ماده خالص ، مجموع وزنهای اتمی همه اتمهای موجود در فرمول آن ماده است. اگر فرمول مورد نظر ، مربوط به یک ماده مولکولی و بنابراین یک فرمول مولکولی باشد، وزن فرمولی مربوط به آن نیز ، وزن مولکولی نامیده می‌شود. وزن مولکولی مجموع وزنهای اتمی ، اتمهایی است که یک مولکول را می‌سازند، بنابراین وزن فرمولی H₂O ، وزن مولکولی این ماده نیز هست.

معادلات شیمیایی
یک معادله شیمیایی را با استفاده از فرمولهای درست واکنش دهنده‌ها و محصول‌ها می‌نویسیم و با ضرایبی که عده واحدهای فرمولی را مشخص می‌کند، موازنه می‌کنیم. اگر پیش از یک فرمو.ل ضریبی نباشد، به منزله آن است که ضریب آن فرمول 1 است. ضرایب یک معادله شیمیایی موازنه شده برای بدست آوردن نسبت مولی میان هر دو ماده که در معادله نشان داده شده است، بکار می‌آید. این نسبتهای مولی ، اساس محاسبات استوکیومتری است. با استفاده از این نسبتها می‌توان کمیت نظری یک واکنش دهنده لازم برای واکنش و همچنین کمیت محصول بدست آمده را محاسبه کرد.

استوکیومتری واکنشها در محلول
بسیاری از واکنشها در محلول انجام می‌شوند. محاسبات استوکیومتری برای این گونه واکنشها بر مبنای حجمهای محلولهای بکار رفته و غلظت این محلولها صورت می گیرد. غلظت این محلول ‌، مقدار ماده حل شده در مقدار معینی حلال ، یا مقدار ماده حل شده موجود در مقدار معینی از محلول است. چند روش برای بیان غلظت محلولها بکار می‌رود؛ (مانند نرمالیته ، مولاریته ، مولالیته). مولاریته معمول‌ترین روشی است که برای مطالعه واکنشهای استوکیومتری انجام شده در محلولها بکار می‌رود و مولاریته M یک محلول ، عده مولهای ماده حل شده در یک لیتر محلول است، یعنی یک محلول M₃ شامل 3 مول ماده حل شده در 1لیتر محلول است.

استوکیومتری و حجم گازها
مسائل استوکیومتری را می‌توان بر اساسی حجم گازهای در گیر در یک واکنش شیمیایی بنا نهاد. از قانون ترکیب حجمی گیلوساک برای حل مسائل مربوط به حجم دو گاز استفاده می‌شود. برخی مسائل ، به رابطه بین حجم یک گاز و جرم یک ماده دیگر مربوط می‌شود. طبق معمول ، کلید حل این مسائل ، مول است.