Stöchiometrie ist ein Zweig der Chemie, der sich mit den quantitativen Beziehungen zwischen den Reaktanten und Produkten in einer chemischen Reaktion beschäftigt. Die Kenntnis der Stöchiometrie ermöglicht es Chemikern, die Mengen der in einer Reaktion verbrauchten und produzierten Substanzen zu bestimmen, was sie für die Arbeit im Labor und für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung macht.
In der Stöchiometrie liefert die chemische Gleichung ein Rezept für eine chemische Reaktion. Sie zeigt, welche Reaktanten sich verbinden und welche Produkte gebildet werden, zusammen mit ihren jeweiligen Mengen. Betrachten Sie die Gleichung für die Verbrennung von Methan:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{Ö}_2 \rightarrow \textrm{Mit}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{Ö} \)Aus dieser Gleichung geht hervor, dass ein Molekül Methan ( \(\textrm{CH}_4\) ) mit zwei Molekülen Sauerstoff ( \(2\textrm{Ö}_2\) ) reagiert und dabei ein Molekül Kohlendioxid ( \(\textrm{Mit}_2\) ) und zwei Moleküle Wasser ( \(2\textrm{H}_2\textrm{Ö}\) ) entsteht.
Das Mol ist eine Einheit, die in der Chemie verwendet wird, um Mengen einer chemischen Substanz auszudrücken. Ein Mol enthält genau \(6.022 \times 10^{23}\) Teilchen der Substanz (Avogadro-Zahl). Mithilfe des Mol-Konzepts können Chemiker die Masse von Substanzen mit der Anzahl der an einer Reaktion beteiligten Teilchen oder Mol in Beziehung setzen.
Die Zahlen vor den chemischen Formeln in einer chemischen Gleichung heißen stöchiometrische Koeffizienten. Sie geben die Proportionen an, in denen sich Reaktanten verbinden und die Produkte entstehen. Im Beispiel der Methanverbrennung lauten die stöchiometrischen Koeffizienten 1 für Methan, 2 für Sauerstoff, 1 für Kohlendioxid und 2 für Wasser.
Um stöchiometrische Berechnungen durchzuführen, müssen wir oft Mol in Gramm umrechnen oder umgekehrt. Dies kann mithilfe der Molmasse der Substanz erfolgen, also der Masse eines Mols dieser Substanz. Die Molmasse einer Verbindung ist die Summe der Molmassen ihrer Komponenten. Beispiel:
Berechnen wir die Masse an Kohlendioxid, die entsteht, wenn \(50.0\, \textrm{G}\) Methan vollständig in Sauerstoff verbrannt wird. Die Molmasse von Methan beträgt \(16.04\, \textrm{g/mol}\) und die Molmasse von Kohlendioxid beträgt \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Wandeln Sie zunächst die Masse von Methan in Mol um:
\( \textrm{Mol CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{G}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Mithilfe der stöchiometrischen Koeffizienten aus der ausgeglichenen Gleichung wissen wir, dass 1 Mol Methan 1 Mol Kohlendioxid erzeugt. Somit entspricht die Anzahl der erzeugten Mol Kohlendioxid der Anzahl der umgesetzten Mol Methan.
Wandeln Sie dann Mol Kohlendioxid in Gramm um:
\( \textrm{Masse an CO}_2 = \textrm{Mol CO}_2 \times \textrm{Molmasse von CO}_2 \)Bei einer chemischen Reaktion ist der limitierende Reaktant die Substanz, die zuerst vollständig verbraucht wird und die maximale Produktmenge bestimmt, die gebildet werden kann. Die theoretische Ausbeute ist die maximale Produktmenge, die aus einer Reaktion erwartet wird, basierend auf der Menge des limitierenden Reaktanten.
Um den limitierenden Reaktanten zu ermitteln, vergleichen Sie das Molverhältnis der verfügbaren Reaktanten mit dem Molverhältnis, das die ausgeglichene chemische Gleichung erfordert. Der Reaktant, der gemäß dem stöchiometrischen Verhältnis die geringste Produktmenge liefert, ist der limitierende Reaktant. Die Berechnung der theoretischen Ausbeute erfolgt unter Verwendung der Menge des limitierenden Reaktanten und der Stöchiometrie der Reaktion.
Betrachten Sie die Reaktion zwischen Stickstoffgas ( \(\textrm{N}_2\) ) und Wasserstoffgas ( \(\textrm{H}_2\) ), bei der Ammoniak ( \(\textrm{NH}_3\) ) entsteht:
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Wenn wir 28 g \(\textrm{N}_2\) und 10 g \(\textrm{H}_2\) haben, welches ist der limitierende Reaktant und wie hoch ist die theoretische Ausbeute von \(\textrm{NH}_3\) ?
Molare Masse von \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Molare Masse von \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Gramm in Mol umrechnen:
\( \textrm{Mol N}_2 = \frac{28\, \textrm{G}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{Mol H}_2 = \frac{10\, \textrm{G}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Vergleichen Sie das verfügbare Molverhältnis von \(\textrm{H}_2\) zu \(\textrm{N}_2\) mit dem stöchiometrischen Verhältnis aus der Gleichung. Der limitierende Reaktant bestimmt die maximale Menge an \(\textrm{NH}_3\) , die produziert werden kann. Wandeln Sie Mol des limitierenden Reaktanten mithilfe der stöchiometrischen Koeffizienten in Mol \(\textrm{NH}_3\) um und rechnen Sie diese dann bei Bedarf in Gramm um.
Stöchiometrische Berechnungen sind nicht auf Reaktanten und Produkte in ihrer reinen Form beschränkt; sie gelten auch für Lösungen. In wässrigen Lösungen werden Konzentrationen häufig in Molarität ausgedrückt, d. h. in Mol gelöster Stoffe pro Liter Lösung ( \(M = \textrm{mol/l}\) ).
Bei der Durchführung von Reaktionen in Lösungen können das Volumen der Lösung und ihre Molarität verwendet werden, um die Molzahl des beteiligten Reaktanten oder Produkts zu ermitteln. Dies ist insbesondere bei Titrationsexperimenten nützlich, bei denen eine Lösung bekannter Konzentration verwendet wird, um die Konzentration einer unbekannten Lösung durch Neutralisation zu bestimmen.
Angenommen, wir müssen 50,0 ml einer 1,0 M HCl-Lösung mit einer NaOH-Lösung neutralisieren. Die Reaktion läuft wie folgt ab:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{Ö} \)Die Stöchiometrie der Reaktion zeigt, dass ein Mol HCl mit einem Mol NaOH reagiert und ein Mol NaCl und ein Mol Wasser entstehen. Bestimmen Sie zunächst die Molzahl HCl:
\( \textrm{Mol HCl} = \textrm{Volumen (L)} \times \textrm{Molarität (M)} \)Berechnen Sie dann mithilfe des stöchiometrischen Verhältnisses das Volumen der NaOH-Lösung, das für eine vollständige Reaktion mit der HCl-Lösung erforderlich ist. Dieses Beispiel demonstriert die Anwendung der Stöchiometrie in Lösungen, bei denen Konzentration und Volumen der Lösungen die Mengen der Reaktanten und Produkte bestimmen.
Stöchiometrie ist ein grundlegendes Konzept in der Chemie, das die quantitative Analyse von Reaktanten und Produkten in einer chemischen Reaktion ermöglicht. Durch das Verständnis der Beziehung zwischen den Mengen der verschiedenen an einer Reaktion beteiligten Substanzen können Chemiker die Produktausbeute vorhersagen, limitierende Reaktanten identifizieren und die für Reaktionen erforderlichen Materialmengen berechnen. Ob es sich um Reaktionen in ihrer reinen Form oder in Lösungen handelt, stöchiometrische Berechnungen liefern wertvolle Erkenntnisse sowohl für Laborexperimente als auch für industrielle chemische Prozesse. Die Schlüsselkomponenten, einschließlich des Molkonzepts, stöchiometrischer Koeffizienten und der Fähigkeit, zwischen Mol und Gramm umzurechnen oder Konzentrationen in Lösungen zu bestimmen, sind für die genaue Durchführung dieser Berechnungen unerlässlich. Durch Übung und Anwendung kann man stöchiometrische Berechnungen meistern und sie auf eine breite Palette chemischer Probleme anwenden.
