Stokiyometrik Hesaplamalar ve Sınırlayıcı Bileşen

İki bisküvi arasına lokum konularak hazırlanan "kıstırma" atıştırmalığında her lokum için 2 adet bisküviye ihtiyaç duyulur: 2 bisküvi + 1 lokum → lokumlu bisküvi. Bu atıştırmalık miktarı arttıkça kullanılan lokum ve bisküvi sayısı artar, ama oran daima aynı kalır. Kimyasal tepkimelerde de tepkenlerin ve ürünlerin miktarları benzer şekilde birbirine bağlıdır.

Stokiyometri Tanımı

Bir kimyasal tepkimede yer alan element ya da bileşiklerin niceliklerinin hesaplanmasına stokiyometri denir. Kimyacı Jeremias Benjamin Richter, 1790'lı yıllarda sülfürik asit ile magnezyum oksidin tepkimesini incelerken tepkimede kullanılan bileşikler arasında sabit bir kütle ilişkisi olduğunu keşfetmiştir; 1000 g sülfürik asidi nötrleştirmek için yaklaşık 408 g magnezyum okside ihtiyaç olduğunu hesaplamıştır. Bu tür hesaplamalar, gübre üretiminde kullanılan amonyak sentezi (N₂ + 3H₂ → 2NH₃) gibi endüstriyel süreçlerde de yaygın olarak kullanılır.

Denkleştirilmiş bir kimyasal tepkimede bir maddenin mol sayısını başka bir maddenin mol sayısına bağlayan orantılar kullanılır.

Kimyasal Hesaplama Basamakları

Tepkimede yer alan herhangi bir taneciğin kütlesinden mol ve tanecik ilişkisine geçiş yapılabilir. Genel işlem sırası (aA + bB → cC + dD tepkimesi için):

1. A maddesinin gram miktarı, mol kütlesi kullanılarak A'nın moline çevrilir.
2. Tepkime denklemindeki mol oranı (katsayılar oranı) kullanılarak A'nın molünden B'nin moline geçilir.
3. B'nin molü, mol kütlesi kullanılarak B'nin gram miktarına çevrilir.
4. Aynı işlemler C ve D için de tekrarlanabilir.

Örnek: Çelik Üretiminde Demir Eldesi

Fe₂O₃(k) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g) tepkimesinde 2 mol Fe₂O₃ tamamen tepkimeye girdiğinde: tepkime katsayılarına göre (1 mol Fe₂O₃ : 3 mol CO : 2 mol Fe : 3 mol CO₂ oranı) 6 mol CO harcanır ve 4 mol Fe oluşur. Bu, tepken ya da ürünlerin mol sayıları ile tepkime denklemindeki katsayıları arasında doğru orantı olduğunu gösterir — bir maddenin mol sayısı katsayısının kaç katıysa, diğer maddelerin mol sayısı da aynı kat sayısıyla ölçeklenir.

Sınırlayıcı Bileşen (Limiting Reagent)

Bazı tepkimelerde tepkenlerden biri tamamen tükenirken diğer tepken artar; bu tür tepkimelere artanlı tepkime denir. Artanlı tepkimelerde önce tükenen maddeye sınırlayıcı bileşen denir (çünkü oluşacak ürün miktarını bu madde sınırlar). Tepkenlerin hepsinin tamamen bittiği tepkimelere ise artansız tepkime denir.

Örnek: Çinko-Hidroklorik Asit Tepkimesinde Sınırlayıcı Bileşen

Zn(k) + 2HCl(suda) → ZnCl₂(suda) + H₂(g) tepkimesine göre, tam verimle gerçekleşen tepkimede başlangıçta 260 g Zn (Zn mol kütlesi 65 g/mol) ve 144 g HCl (mol kütlesi 36 g/mol) alınırsa:

• n_Zn = 260/65 = 4 mol Zn
• n_HCl = 144/36 = 4 mol HCl

Tepkime denklemine göre 1 mol Zn için 2 mol HCl gerekir; bu nedenle 4 mol HCl ile ancak 2 mol Zn tepkimeye girebilir (4 mol HCl, 2 mol Zn ile tam orantılıdır). Bu durumda:

• Tepkimeye giren Zn: 2 mol = 130 g
• Tepkimeye giren HCl: 4 mol = 144 g (tamamen biter — sınırlayıcı bileşen HCl'dir)
• Artan Zn: 260 − 130 = 130 g artar

Bu örnek, sınırlayıcı bileşenin belirlenmesinin basit bir kural değil, her iki tepkenin mol sayısının tepkime katsayı oranıyla karşılaştırılmasıyla yapılan bir hesaplama olduğunu gösterir: hangi tepken, tepkime oranına göre daha az mol içeriyorsa (yani diğerine oranla "yetersiz" kalıyorsa), o tepken sınırlayıcı bileşendir.

Örnek: Termit Benzeri Tepkimede Ürün-Tepken İlişkisi

Alüminyum eritilip katı baryum oksitle karıştırılarak ısıtıldığında şiddetli bir tepkime meydana gelir; erimiş baryum elementi ve katı alüminyum oksit oluşur:

2Al(s) + 3BaO(k) → Al₂O₃(k) + 3Ba(s)

2 mol Al₂O₃ elde edildiğinde: tepkime katsayı oranına göre (2 mol Al : 3 mol BaO : 1 mol Al₂O₃ : 3 mol Ba), 1 mol Al₂O₃ için 2 mol Al ve 3 mol BaO gerektiğinden, 2 mol Al₂O₃ için 4 mol Al (4×27=108 g) tepkimeye girmiş, 6 mol BaO kullanılmış ve 6 mol (6×6,02×10²³ tane) Ba atomu oluşmuştur.

Özet

• Stokiyometri, kimyasal tepkimede yer alan madde miktarlarının hesaplanmasıdır; hesaplamalar kütle→mol→(tepkime oranıyla) başka maddenin molü→kütle şeklinde ilerler.
• Denkleştirilmiş bir tepkimede maddelerin mol sayıları, tepkime denklemindeki katsayılarla doğru orantılıdır; bu orantı kullanılarak bir maddenin miktarından diğerlerinin miktarı hesaplanabilir.
• Bir tepkimede tepkenlerden biri tükenirken diğeri artıyorsa buna artanlı tepkime, önce tükenen maddeye sınırlayıcı bileşen denir; sınırlayıcı bileşen, her iki tepkenin mevcut mol sayısının tepkime katsayı oranıyla karşılaştırılmasıyla belirlenir (Zn-HCl örneğinde HCl sınırlayıcı bileşendir, Zn'nin 130 g'ı artar).