Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Einführung und Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Beliebige Berechnungen mit der Stoffmenge: Unterschied zwischen den Seiten

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{{SORTIERUNG:{{SUBPAGENAME}}}}Die '''Stöchiometrie''' (von gr. στοιχεῖον stoicheion „Grundstoff“ und μέτρον metron „Maß“) ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie. Aus der Kenntnis der beteiligten Stoffe mit ihren Summenformeln und in welchem Verhältnis sie miteinander reagieren, kann man rechnerisch stimmen, in welchem Mengenverhältnis Produkte miteinander zu welcher Menge an Edukten reagieren.
Mengenangaben in der Chemie können mit vier Größen gmacht werden, die jede zueinander proportional ist.
* Die '''Masse m''' wird in kg angegeben und kann mit einer Waage bestimmt werden.
* Die '''Teilchenanzahl N''' gibt die Anzahl der kleinsten Teilchen (''je nach Stoff Atome, Molekül oder Einheiten)'' an und ist vor allem bei Angaben wie ppm (=Parts per Million) interessant, die oft beim Luftverunreinigungen mit gasförmigen Stoffen genutzt wird.
* Die '''Stoffmenge n''' macht ähnliche Angaben wie die Teilchenanzahl und gibt die Menge an "Mol" an. Der Vorteil der Stoffmenge ist, dass man mit kleineren Zahlen als bei der Teilchenanzahl arbeitet.
* Das '''Volumen V''' ist für Gase und Flüssigkeiten sehr gebräuchlich, allerdings hängt das Volumen von Gase stark von der Temperatur ab. Je nach Menge gibt man das Volumen bei Gasen meist in Liter bei Feststoffen und Flüssigkeiten meist in cm³ an. Das Volumen bei Feststoffen anzugeben ist eher unüblich, wenn es nicht einen besondern Grund hat. 


Grundlage dieser Berechnungen sind die Reaktionsgleichungen, bei denen man ja darauf achten muss, dass die Anzahl der beteiliegten Atome vor und nach der Reaktion richtig ist. Nun dann kann man die Reaktionsgleichung nutzen, um damit stöchiometrische Berechnungen durchzuführen.
Die folgene Darstellung zeigt, wie diese vier Größen voneinander abhängen. Auf den Verbindunglinien gibt es jeweils eine Formel und eine Konstante, über die die zwei Größen zusammenhängen. Teilweise sind die Konstanten abhängig vom Stoff, teilweise aber nicht.


Praktisch werden Reaktionen im Labor häufig „unstöchiometrisch“ durchgeführt, d.h. das mindestens einer der Edukte in ausreichend großen Mengen verwendet wird, weil damit die Ausbeute meist etwas erhöht wird. In vielen technischen Prozessen sind stöchiometrische Überlegungen aber sehr wichtig, wie wir an einem Beispiele zeigen wollen.
<center>[[File:Zusammenhang zwischen Masse, Stoffmenge, Volumen und Teilchenanzahl.svg]]</center>


== Fett oder mager - Wer zündet besser? ==
* Die '''Dichte ρ''' (rho) ist eine Stoffeigenschaft, die vom Stoff und auch von den äußeren Bedinungen abhängt. Daher muss man bei Berechnungen immer fragen, wie diese sind. Hier kann ich von Masse in Volumen und umgekehrt umrechnen.
Motorsportfreunde werden wissen, was mit fett und mager gemeint ist, denn damit werden bestimmte Gemischverhältnisse bei explosionsfähigen Gemischen bezeichnet. Im Falle des Motors geht es darum, dass der Treibstoff (z.B. Benzin) und Luft im richigen Verhältnis vorliegen müssen, damit das Gemisch überhaupt zünden kann. Dabei geht es bei der Luft natürlich vor allem um den enthaltenen Sauerstoff, der mit dem Treibstoff reagieren soll.
* Die '''Masse eines Teilchen m(1 Teilchen)''' ermöglicht die Umrechnung zwischen Masse und Teilchenanzahl. Die Masse eines Teilchens kann man mit Hilfe des Periodensystem bestimmen, wenn man die Formel des Stoffes und damit der Teilchen kennt.
 
* Die '''Avogadro-Konstante N<sub>A</sub>''' ist ein Wert, der immer identisch ist, egal für welchen Stoff und für welche Bedingung.  
 
* Die '''Molmasse M''' gibt die Masse von einem Mol eines Stoffes an. Man berechnet sie wie die Masse eines Teilchens, sie hat aber die Einheit g/mol.
<center>[[Datei:Explosionsgrenzen.svg]]</center>
* Das '''Molvolumen V<sub>m</sub>''' gibt das Volumen von einem Mol eines Stoffes an. Sinnvoll ist dies nur bei Gasen, da Gase ja für eine bestimmte Teilchenanazahl immer das gleiche Volumen haben (''siehe → [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Satz von Avogadro|Satz von Avogadro]]''). Wie die Dichte, ist das Mol-Volumen (besonders bei Gasen) von der Temperatur und dem Druck anhängig, was man deshalb immer angeben muss.
 
 
Ist das Gemisch zu "mager", ist also zu wenig Treibstoff im Vergleich zur vorhandenen Luft/Sauerstoff enthalten, kann das Gemisch nicht explodieren. Viel hilft aber auch nicht immer, denn wenn man zu viel Treibstoff hat fehlt Sauerstoff und das Gemisch wird auch nicht explodieren. Dies bezeichnet man als "fettes Gemisch".
 
Warum ist das so? Optimaler Weise ist es so, dass gerade so viele Teilchen vorhanden sind, so dass alle vollständig miteinander reagieren können. Ist von einer Teilchensorte zu viel da, so kann das dazu führen, dass die gleichen Teilchen aufeinander treffen und nicht miteinander reagieren können. Dabei kann die Aktivierungsenergie verloren gehen und reicht für ein ausreichend starkes Aufeinanderprallen der "richtigen" Teilchen mehr aus.
 
<center>[[File:Darstellung_Reaktion_bei_stöchiometrischem_Gemisch.svg|500px]]</center>
 
 
{{Box|Beeinflussung des Produktes durch Mengen der Edukte|2=Es gibt durchaus Reaktionen, bei denen die veränderte Menge an Edukten dazu führt, das ein anderes Produkt entsteht. Bekannt ist sicher die Verbrennung von Kohlenstoffhaltigen Stoffen wie Methan:
* Ist ausreichend Sauerstoff vorhanden entsteht Kohlendioxid
:<math>2 \; CH_4 \; + \; 4 \; O_2 \; \longrightarrow \;2\; CO_2 \; + \; 4 \; H_2O</math>
* Ist zu wenig Sauerstoff vorhanden, kann es zur Entstehung von Kohlenmonoxid kommen
:<math>2 \; CH_4 \; + \; 3 \; O_2 \; \longrightarrow \;2\; CO \; + \; 4 \; H_2O</math>
Bei den Aufgaben, die wir betrachten, steht aber immer fest, welche Produkte entstehen. Im Alltag ist aber das Problem, dass bei zu wenig Sauerstoff-Zufuhr das giftige Kohlenmoxid entstehen kann, nicht zu verachten!
|3=Hervorhebung1}}
 
 
Natürlich muss man nicht immer ein so große Menge an Teilchen betrachten. Es reicht aus, wenn man die kleinstmögliche Anzahl betrachtet. Bei der Verbrennung von Methan würde so die optimale Reaktion im Teilchenmodell aussehen, wodurch sich auch gleich die Reaktionsgleichung in Symbolschreibweise ergibt.
 
<center>[[File:Combustion reaction of methane.jpg|400px]]</center>
 
Mit Hilfe der Massen der einzelnen Teilchen könnte man so bestimmen, welche Mengen an Methan und wieviel Sauerstoff zusammenkommen muss, damit die Reaktion optimal und damit am heftigsten abläuft. Die Berechnung kann auf ganz unterschiedlichem Wege geschehen.
 
== Wiederholung Symbolschreibweise und Reaktionsgleichungen ==
Diese Seiten dienen der Wiederholung der Symbolschreibweise und dem Ausgleichen von Reaktionsgleichungen. Wenn du merkst, das du hier noch Probleme hast gehe die Seiten und Quizze noch einmal für dich alleine durch. Gerade das Ausgleichen von Reaktionsgleichungen ist wichtig, damit man die richtige Anzahl an Teilchen bestimmen kann, die miteinander reagieren:
* [[Chemie-Lexikon/Symbolschreibweise - Benennung von Verbindungen|Benennung von Verbindungen in Symbolschreibweise]]
* [[Chemie-Lexikon/Symbolschreibweise - Reaktionen beschreiben|Aufstellen und Ausgleichen von Reaktionsgleichungen]]
 
== Grundlegende Themen zur Stöchiometrie ==
* [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte|Berechnungen mit der Dichte]]
* [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Berechnungen von Massenverhältnissen|Berechnungen von Massenverhältnissen]]
* [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Satz von Avogadro|Satz von Avogadro - Berechnungen mit Gasvolumina]]  
* [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Einführung in die Stoffmenge und das Mol|Einführung in die Stoffmenge und das Mol]]
* [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Beliebige Berechnungen mit der Stoffmenge|Berechnungen mit der Stoffmenge und anderen Größen]]
** ... dazu ein Übersichtsblatt mit den wichtigsten Formeln (sinnvoll ab Einführung der Stoffmenge) ...
* Konzentrationen
 
* Download "Gemischte Übungen" mit Lösungen
 
== Anwendungen der Stöchiometrie ==
* Titrationen
* Verdünnung von Säuren und Basen
* Reaktionen von Säuren mit Basen
* Berechnung von Teilchen in Glasvolumina (mit dem allgemeinen Gasgesetz)
 
[[Kategorie:Stöchiometrie]]
[[Kategorie:Chemische Reaktion]]
[[Kategorie:Chemie-Lexikon]]
[[Kategorie:ChemieUnfertig]]

Version vom 3. April 2018, 11:57 Uhr

Mengenangaben in der Chemie können mit vier Größen gmacht werden, die jede zueinander proportional ist.

  • Die Masse m wird in kg angegeben und kann mit einer Waage bestimmt werden.
  • Die Teilchenanzahl N gibt die Anzahl der kleinsten Teilchen (je nach Stoff Atome, Molekül oder Einheiten) an und ist vor allem bei Angaben wie ppm (=Parts per Million) interessant, die oft beim Luftverunreinigungen mit gasförmigen Stoffen genutzt wird.
  • Die Stoffmenge n macht ähnliche Angaben wie die Teilchenanzahl und gibt die Menge an "Mol" an. Der Vorteil der Stoffmenge ist, dass man mit kleineren Zahlen als bei der Teilchenanzahl arbeitet.
  • Das Volumen V ist für Gase und Flüssigkeiten sehr gebräuchlich, allerdings hängt das Volumen von Gase stark von der Temperatur ab. Je nach Menge gibt man das Volumen bei Gasen meist in Liter bei Feststoffen und Flüssigkeiten meist in cm³ an. Das Volumen bei Feststoffen anzugeben ist eher unüblich, wenn es nicht einen besondern Grund hat.

Die folgene Darstellung zeigt, wie diese vier Größen voneinander abhängen. Auf den Verbindunglinien gibt es jeweils eine Formel und eine Konstante, über die die zwei Größen zusammenhängen. Teilweise sind die Konstanten abhängig vom Stoff, teilweise aber nicht.

Zusammenhang zwischen Masse, Stoffmenge, Volumen und Teilchenanzahl.svg
  • Die Dichte ρ (rho) ist eine Stoffeigenschaft, die vom Stoff und auch von den äußeren Bedinungen abhängt. Daher muss man bei Berechnungen immer fragen, wie diese sind. Hier kann ich von Masse in Volumen und umgekehrt umrechnen.
  • Die Masse eines Teilchen m(1 Teilchen) ermöglicht die Umrechnung zwischen Masse und Teilchenanzahl. Die Masse eines Teilchens kann man mit Hilfe des Periodensystem bestimmen, wenn man die Formel des Stoffes und damit der Teilchen kennt.
  • Die Avogadro-Konstante NA ist ein Wert, der immer identisch ist, egal für welchen Stoff und für welche Bedingung.
  • Die Molmasse M gibt die Masse von einem Mol eines Stoffes an. Man berechnet sie wie die Masse eines Teilchens, sie hat aber die Einheit g/mol.
  • Das Molvolumen Vm gibt das Volumen von einem Mol eines Stoffes an. Sinnvoll ist dies nur bei Gasen, da Gase ja für eine bestimmte Teilchenanazahl immer das gleiche Volumen haben (siehe → Satz von Avogadro). Wie die Dichte, ist das Mol-Volumen (besonders bei Gasen) von der Temperatur und dem Druck anhängig, was man deshalb immer angeben muss.