स्तुईचिओमेटरी

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मीथेन की दहन अभिक्रिया का एक स्टोइकियोमेट्रिक आरेख।

स्टोइकियोमेस्ट्री रासायनिक अभिक्रियाओं से पहले, दौरान और बाद में अभिकारक और उत्पाद(रसायन विज्ञान) की मात्रा के बीच संबंध को संदर्भित करता है।

स्टोइकियोमेस्ट्री द्रव्यमान के संरक्षण के नियम पर स्थापित किया गया है जहां अभिकारकों का कुल द्रव्यमान उत्पादों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है, जिससे यह अंतर्दृष्टि प्राप्त होती है कि अभिकारकों और उत्पादों की मात्रा के बीच संबंध सामान्यतः सकारात्मक पूर्णांक का अनुपात बकारण हैं। इसका तात्पर्य यह है कि यदि अलग-अलग अभिकारकों की मात्रा ज्ञात हो, तो उत्पाद की मात्रा की गणना की जा सकती है। इसके विपरीत, यदि अभिकारक की मात्रा ज्ञात होती है और उत्पादों की मात्रा को आनुभविक रूप से निर्धारित किया जा सकता है, तो अन्य अभिकारकों की मात्रा की भी गणना की जा सकती है।

यह यहाँ की छवि में दिखाया गया है, जहाँ संतुलित समीकरण है:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

यहाँ, मीथेन का एक अणु ऑक्सीजन गैस के दो अणुओं के साथ क्रिया करके कार्बन डाइआक्साइड के एक अणु और पानी के गुणों के दो अणु उत्पन्न करता है। यह विशेष रासायनिक समीकरण पूर्ण दहन का एक उदाहरण है। स्टोइकियोमेस्ट्री इन मात्रात्मक संबंधों को मापता है, और इसका उपयोग उत्पादों और अभिकारकों की मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जाता है जो किसी दिए गए अभिक्रिया में उत्पादित या आवश्यक होते हैं। रासायनिक अभिक्रियाओं में भाग लेने वाले पदार्थों के बीच मात्रात्मक संबंधों का वर्णन करना अथवा यह अभिक्रिया स्टोइकोमेट्री के रूप में जाना जाता है। उपरोक्त उदाहरण में, अभिक्रिया स्टोइकोमेट्री मीथेन और ऑक्सीजन की मात्रा के बीच संबंध को मापती है जो कार्बन डाइऑक्साइड और पानी बनाने के लिए अभिक्रिया करती है।

मोल(इकाई) के सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान के प्रसिद्ध संबंध के कारण, स्टोइकोमेट्री द्वारा आने वाले अनुपातों का उपयोग संतुलित समीकरण द्वारा वर्णित अभिक्रिया में वजन द्वारा मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। इसे कंपोजीशन स्टोइकोमेट्री कहते हैं।

गैस स्टोइकोमेट्री गैसों से संबंधित अभिक्रियाओं से संबंधित है, जहां गैसें एक ज्ञात तापमान, दबाव और आयतन पर होती हैं और इसे आदर्श गैस माना जा सकता है। गैसों के लिए, आदर्श गैस नियम के अनुसार आयतन अनुपात आदर्श रूप से समान होता है, लेकिन एकल अभिक्रिया के द्रव्यमान अनुपात की गणना अभिकारकों और उत्पादों के आणविक द्रव्यमान से की जानी चाहिए। व्यवहार में, समस्थानिकों के अस्तित्व के कारण, द्रव्यमान अनुपात की गणना करते समय मोलर द्रव्यमान का उपयोग किया जाता है।

व्युत्पत्ति

स्टोइकोमेट्री शब्द का उपयोग पहली बार यिर्मयाह बेंजामिन रिक्टर द्वारा 1792 में किया गया था जब रिक्टर की स्टोइकोमेट्री या रासायनिक तत्वों को मापने की कला का पहला खंड प्रकाशित हुआ था। यह शब्द प्राचीन यूनानी शब्दों στοιχεῖον स्टोइचियन 'तत्व' और μέτρον मेट्रोन 'उपाय' से लिया गया है। पैट्रिस्टिक ग्रीक में, स्टोइचिओमेट्रिया शब्द का उपयोग नीसफोरस द्वारा कैनोनिकल न्यू टेस्टामेंट और कुछ अपोक्रिफा की लाइन काउंट की संख्या को संदर्भित करने के लिए किया गया था।

परिभाषा

एक स्टोइकियोमेट्रिक राशि या अभिकर्मक का स्टोइकोमीट्रिक अनुपात इष्टतम राशि या अनुपात है, जहां यह मानते हुए कि अभिक्रिया पूर्ण होने के लिए आगे बढ़ती है:

1. सभी अभिकर्मक का उपभुक्त किया जाता है
2. अभिकर्मक की कोई कमी नहीं है
3. अभिकर्मक की अधिकता नहीं है।

स्टोइकियोमेस्ट्री बहुत ही बुनियादी नियमों पर टिकी हुई है जो इसे बेहतर ढंग से समझने में मदद करते हैं, जैसे कि द्रव्यमान के संरक्षण का नियम, निश्चित अनुपात का नियम(अर्थात, निरंतर संरचना का नियम), कई अनुपातों का नियम और पारस्परिक अनुपात का नियम। साधारणतः, रासायनिक अभिक्रियाएं रसायनों के निश्चित अनुपात में संयोजित होती हैं। चूंकि रासायनिक अभिक्रियाएं न तो पदार्थ को बना सकती हैं और न ही नष्ट कर सकती हैं, न ही परमाणु रूपांतरण एक तत्व को दूसरे में बदल सकता है, प्रत्येक तत्व की मात्रा समग्र अभिक्रिया में समान होनी चाहिए। उदाहरण के लिए, अभिकारक पक्ष पर दिए गए तत्व X के परमाणुओं की संख्या उत्पाद पक्ष पर उस तत्व के परमाणुओं की संख्या के बराबर होनी चाहिए, चाहे वे सभी परमाणु वास्तव में अभिक्रिया में सम्मिलित हों या न हो।

रासायनिक अभिक्रियाएं, सूक्ष्मदर्शी इकाई संचालन के रूप में, बहुत बड़ी संख्या में प्राथमिक अभिक्रियाएं होती हैं, जहां एक अणु दूसरे अणु के साथ अभिक्रिया करता है। चूंकि अभिकारक अणु(या अंश) में एक पूर्णांक अनुपात में परमाणुओं का एक निश्चित समूह होता है, एक पूर्ण अभिक्रिया में अभिकारकों के बीच का अनुपात भी पूर्णांक में होता है। एक अभिक्रिया एक से अधिक अणुओं का उपभोग कर सकती है, और स्टोइकियोमेट्रिक संख्या इस संख्या की गणना करती है, जिसे उत्पादों के लिए सकारात्मक(जोड़ा गया) और रिएक्टेंट्स(हटाए गए) के लिए नकारात्मक के रूप में परिभाषित किया गया है। अहस्ताक्षरित गुणांकों को सामान्यतः स्टोइकियोमेट्रिक गुणांक के रूप में संदर्भित किया जाता है। प्रत्येक तत्व का एक परमाणु द्रव्यमान होता है, और अणुओं को परमाणुओं के संग्रह के रूप में देखते हुए, यौगिकों का एक निश्चित ग्राम अणुक द्रव्यमान होता है। परिभाषा के अनुसार, कार्बन-12 का ग्राम अणुक द्रव्यमान 12 ग्राम/मोल है। किसी पदार्थ में प्रति मोल अणुओं की संख्या अवोगाद्रो स्थिरांक द्वारा दी जाती है। इस प्रकार, द्रव्यमान द्वारा स्टोइकोमेट्री की गणना करने के लिए, प्रत्येक अभिकारक के लिए आवश्यक अणुओं की संख्या को मोल में व्यक्त किया जाता है और प्रत्येक ग्राम अणुक द्रव्यमान से गुणा करके प्रत्येक अभिकारक का द्रव्यमान प्रति मोल में दिया जाता है। संपूर्ण अभिक्रिया में प्रत्येक को कुल से विभाजित करके द्रव्यमान अनुपात की गणना की जा सकती है।

तत्व अपनी प्राकृतिक अवस्था में भिन्नात्मक द्रव्यमान के समस्थानिकों के मिश्रण होते हैं; इस प्रकार, परमाणु द्रव्यमान और इस प्रकार ग्राम अणुक द्रव्यमान बिल्कुल पूर्णांक नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए, ठीक 14:3 अनुपात के बजाय, 17.04 किलो अमोनिया में 14.01 किलो नाइट्रोजन और 3 × 1.01 किलो हाइड्रोजन होता है, क्योंकि प्राकृतिक नाइट्रोजन में नाइट्रोजन -15 और प्राकृतिक हाइड्रोजन में हाइड्रोजन -2(ड्यूटेरियम) की थोड़ी मात्रा सम्मिलित होती है।

स्टोइकियोमेट्रिक अभिकारक है जो अभिक्रिया में उपभोग होता है, एक उत्प्रेरण के विपरीत, यह समग्र अभिक्रिया में उपभोग नहीं होता है क्योंकि यह एक चरण में अभिक्रिया करता है और दूसरे चरण में पुन: उत्पन्न होता है।

ग्राम को मोल में बदलना

स्टोइकियोमेस्ट्री का उपयोग न केवल रासायनिक समीकरणों को संतुलित करने के लिए किया जाता है, बल्कि रूपांतरणों में भी किया जाता है, अर्थात, ग्राम से मोल्स में रूपांतरण कारक के रूप में, या ग्राम से मिलीलीटर तक घनत्व का उपयोग करके परिवर्तित किया जाता है। उदाहरण के लिए, 2.00 ग्राम में NaCl(सोडियम क्लोराइड) के पदार्थ की मात्रा ज्ञात करने के लिए, कोई निम्नलिखित कार्य करेगा:

${\frac {2.00{\mbox{ g NaCl}}}{58.44{\mbox{ g NaCl mol}}^{-1}}}=0.0342\ {\text{mol}}$

उपरोक्त उदाहरण में, जब अंश के रूप में लिखा जाता है, तो ग्राम की इकाइयाँ एक गुणनात्मक पहचान बनाती हैं, जो एक(g/g = 1) के बराबर होती है, जिसके परिणामस्वरूप मोल(इकाई की आवश्यकता होती है) में परिणामी मात्रा होती है, जैसा कि दिखाया गया है निम्नलिखित समीकरण में,

$\left({\frac {2.00{\mbox{ g NaCl}}}{1}}\right)\left({\frac {1{\mbox{ mol NaCl}}}{58.44{\mbox{ g NaCl}}}}\right)=0.0342\ {\text{mol}}$

मोलर अनुपात

स्टोइकियोमेस्ट्री प्रायः रासायनिक समीकरणों(स्टोइकियोमेस्ट्री अभिक्रिया) को संतुलित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, दो डायटोमिक अणु गैसें, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन, ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया में एक तरल, पानी बनाने के लिए सम्मिलित हो सकते हैं, जैसा कि निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित है:

2H
₂ + O
₂ → 2 H
₂O

अभिक्रिया स्टोइकोमेट्री उपरोक्त समीकरण में हाइड्रोजन, ऑक्सीजन और पानी के अणुओं के 2:1:2 अनुपात का वर्णन करती है।

ग्राम अणुक अनुपात एक पदार्थ के मोल और दूसरे के मोल के बीच रूपांतरण की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, अभिक्रिया में

2CH
₃OH + 3 O
₂ → 2 CO
₂ + 4 H
₂O

पानी की मात्रा जो 0.27 मोल . के दहन से उत्पन्न होगी CH
₃OH के बीच ग्राम अणुक अनुपात का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है CH
₃OH तथा H
₂O 2 से 4.

$\left({\frac {0.27{\mbox{ mol }}\mathrm {CH_{3}OH} }{1}}\right)\left({\frac {4{\mbox{ mol }}\mathrm {H_{2}O} }{2{\mbox{ mol }}\mathrm {CH_{3}OH} }}\right)=0.54\ {\text{mol }}\mathrm {H_{2}O}$

स्टोइकोमेट्री शब्द का प्रयोग प्रायः स्टोइकियोमेट्रिक यौगिकों(रचना स्टोइकोमेट्री) में तत्वों के मोल(इकाई) अनुपात के लिए भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, H . में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की स्टोइकोमेट्री₂हे 2:1 है। स्टोइकियोमेट्रिक यौगिकों में, ग्राम अणुक अनुपात पूर्णांक होते हैं।

उत्पाद की मात्रा निर्धारित करना

स्टोइकोमेट्री का उपयोग किसी अभिक्रिया द्वारा प्राप्त उत्पाद की मात्रा को खोजने के लिए भी किया जा सकता है। यदि सिल्वर नाइट्रेट(AgNO₃) के जलीय घोल में ठोस तांबे(Cu) का एक टुकड़ा मिलाया जाता है, चांदी(Ag) को जलीय कॉपर नाइट्रेट बनाने वाली एकल विस्थापन अभिक्रिया में बदल दिया जाएगा। यदि अतिरिक्त सिल्वर नाइट्रेट के विलयन में 16.00 ग्राम Cu मिला दिया जाए तो कितनी चाँदी उत्पन्न होती है?

निम्नलिखित चरणों का उपयोग किया जाएगा:

1. समीकरण लिखें और संतुलित करें
2. द्रव्यमान से मोल: Cu के ग्राम को Cu के मोल में बदलें
3. मोल अनुपात: Cu के मोल को उत्पादित Ag के मोल में बदलें
4. तिल से द्रव्यमान: Ag के मोल को उत्पादित Ag के ग्राम में बदलें

पूर्ण संतुलित समीकरण होगा:

Cu + 2 AgNO
₃ → Cu(NO
₃)
₂ + 2 Ag

द्रव्यमान से मोल चरण के लिए, तांबे के द्रव्यमान(16.00 g) को तांबे के द्रव्यमान को उसके आणविक द्रव्यमान: 63.55 g/मोल से विभाजित करके तांबे के मोल में परिवर्तित किया जाएगा।

$\left({\frac {16.00{\mbox{ g Cu}}}{1}}\right)\left({\frac {1{\mbox{ mol Cu}}}{63.55{\mbox{ g Cu}}}}\right)=0.2518\ {\text{mol Cu}}$

अब जब मोल में Cu की मात्रा(0.2518) मिल गई है, तो मोल अनुपात सेट कर सकते हैं। यह संतुलित समीकरण में गुणांकों को देखकर पाया जाता है: Cu और Ag 1:2 के अनुपात में हैं।

$\left({\frac {0.2518{\mbox{ mol Cu}}}{1}}\right)\left({\frac {2{\mbox{ mol Ag}}}{1{\mbox{ mol Cu}}}}\right)=0.5036\ {\text{mol Ag}}$

अब जबकि उत्पादित Ag का मोल 0.5036 मोल है, तो हम अंतिम उत्तर पर आने के लिए इस मात्रा को उत्पादित Ag के ग्राम में बदल देते हैं:

$\left({\frac {0.5036{\mbox{ mol Ag}}}{1}}\right)\left({\frac {107.87{\mbox{ g Ag}}}{1{\mbox{ mol Ag}}}}\right)=54.32\ {\text{g Ag}}$

गणना के इस सेट को आगे एक चरण में संघनित किया जा सकता है:

$m_{\mathrm{A}\mathrm{g}}=\left(\frac{16.00\text{ g }\mathrm{C}\mathrm{u}}{1}\right)\left(\frac{1\text{ mol }\mathrm{C}\mathrm{u}}{63.55\text{ g }\mathrm{C}\mathrm{u}}\right)\left(\frac{2\text{ mol }\mathrm{A}\mathrm{g}}{1\text{ mol }\mathrm{C}\mathrm{u}}\right)(\frac{107.87\text{ g }\mathrm{A}\mathrm{g}}{}$