Materiens bevarande

I reaktioner under normala laboratorieförhållanden varken skapas eller förstörs materia och grundämnen omvandlas inte till andra grundämnen. Därför måste ekvationer som skildrar reaktioner vara balanserade, det vill säga lika många atomer av varje slag måste förekomma på motsatta sidor av ekvationen. Den balanserade ekvationen för järn-svavelreaktionen visar att en järnatom kan reagera med en svavelatom för att ge en formelenhet järnsulfid.

Kemister arbetar vanligtvis med vägbara mängder av grundämnen och föreningar. I järn-svavel-ekvationen representerar till exempel symbolen Fe 55,845 gram järn, S representerar 32,066 gram svavel och FeS representerar 87,911 gram järnsulfid. Eftersom materia inte skapas eller förstörs i en kemisk reaktion är den totala massan av reaktanter densamma som den totala massan av produkter. Om en annan mängd järn används, till exempel en tiondel så mycket (5,585 gram), kan endast en tiondel så mycket svavel förbrukas (3,207 gram) och endast en tiondel så mycket järnsulfid produceras (8,791 gram). Om 32,066 gram svavel ursprungligen fanns tillsammans med 5,585 gram järn skulle 28,859 gram svavel finnas kvar när reaktionen var avslutad.

Reaktionen av metan (CH4, en viktig beståndsdel i naturgas) med molekylärt syre (O2) för att producera koldioxid (CO2) och vatten kan beskrivas med den kemiska ekvationen CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) Här framträder en annan egenskap hos kemiska ekvationer. Siffran 2 som föregår O2 och H2O är en stökiometrisk faktor. (Siffran 1 som föregår CH4 och CO2 är underförstått.) Detta visar att en molekyl metan reagerar med två molekyler syre för att producera en molekyl koldioxid och två molekyler vatten. Ekvationen är balanserad eftersom samma antal atomer av varje grundämne förekommer på båda sidor av ekvationen (här en kol-, fyra väte- och fyra syreatomer). Analogt med exemplet med järn-svavel kan vi säga att 16 gram metan och 64 gram syre ger 44 gram koldioxid och 36 gram vatten. Det vill säga 80 gram reaktanter kommer att leda till 80 gram produkter.

Förhållandet mellan reaktanter och produkter i en kemisk reaktion kallas kemisk stökiometri. Stökiometri beror på det faktum att materia bevaras i kemiska processer, och beräkningar som ger massförhållanden baseras på begreppet mol. En mol av ett grundämne eller en förening innehåller samma antal atomer respektive molekyler som en mol av ett annat grundämne eller en annan förening. Enligt internationell överenskommelse har en mol av den vanligaste kolisotopen (kol-12) en massa på exakt 12 gram (detta kallas molarmassa) och representerar 6,022140857 × 1023 atomer (Avogadros tal). En mol järn innehåller 55,847 gram, en mol metan innehåller 16,043 gram, en mol molekylärt syre motsvarar 31,999 gram och en mol vatten motsvarar 18,015 gram. Var och en av dessa massor representerar 6,022140857 × 1023 molekyler.