Stechiometria; Stechiometrico

La stechiometria descrive i rapporti quantitativi delle sostanze nelle reazioni chimiche e si basa sulla legge di conservazione della massa e sulla costanza della composizione dei composti chimici. Si ha un rapporto stechiometrico quando tutti i reagenti sono presenti esattamente nel rapporto quantitativo specificato dall'equazione di reazione. In questo caso non rimangono eccedenze di reagenti né si formano sottoprodotti inutili. La base di questo principio è un'equazione di reazione bilanciata, in cui ogni elemento è presente in numero uguale sia sul lato dei reagenti che su quello dei prodotti. La quantità di sostanza n espressa in moli è fondamentale, poiché collega il numero di particelle a grandezze misurabili come la massa e il volume.

Per una sostanza vale: m = n · M, dove m è la massa in grammi, n è la quantità di sostanza in moli e M è la massa molare in grammi per mole. Per i gas si utilizza spesso il volume molare V_m. In condizioni standard vale approssimativamente: 

V = n · V_m

Con l'aiuto di calcoli stechiometrici è possibile determinare, dalla massa data di un reagente, la massa necessaria di un secondo reagente e la resa teorica dei prodotti. Nell'ingegneria dei processi, i rapporti stechiometrici sono importanti per la progettazione, la sicurezza e l'efficienza energetica dei processi. Su scala industriale, influenzano l'utilizzo delle materie prime, le emissioni e la necessità di trattamento dell'aria di scarico e delle acque reflue. Consideriamo ad esempio la combustione completa del metano:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Il CH₄ (metano) contiene un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno, l'O₂ (molecola di ossigeno) contiene due atomi di ossigeno, il CO₂ (anidride carbonica) contiene un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno e l'H₂O (acqua) contiene due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. I coefficienti 1 : 2 : 1 : 2 indicano il rapporto stechiometrico delle quantità di sostanza. Sul lato dei prodotti di reazione e dei prodotti finali sono presenti rispettivamente un atomo di carbonio, quattro atomi di idrogeno e quattro atomi di ossigeno. Se sono presenti esattamente n(CH₄) moli di metano e 2 · n(CH₄) moli di ossigeno, la miscela è miscelata stechiometricamente. Dalle masse molari si ottiene:

M(CH₄) ≈ 16 g/mol; M(O₂) ≈ 32 g/mol

Ne consegue il rapporto stechiometrico di massa: 16 g di metano reagiscono con 64 g di ossigeno, ovvero il rapporto di massa metano : ossigeno è pari a 1 : 4. 

Dosaggio stechiometrico, miscelazione ottimale: in molti processi, i rapporti precisi tra le quantità di sostanze determinano la resa, la qualità e la sicurezza delle reazioni chimiche. I sistemi di miscelazione amixon® aiutano a preparare i reagenti pesati con precisione nel rapporto stechiometrico desiderato.