Stöchiometrie

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Die Stöchiometrie ist in der Schulchemie eines der Themen, die nicht bei allen Schülern beliebt ist. Dies liegt vermutlich zum einen an der Tatsache, dass hier Mathematik benötigt, aber auch, dass der Sinn in solchen Rechnungen nicht immer gesehen wird. Eine sachte und gut erklärte Einführung mit Beispielen in ansteigenden Schwierigkeiten können den Einstieg erleichtern.

Die Einführung der Stöchiometrie in der Mittelstufenchemie ist Grundlage für Berechnungen in der Oberstufe.

Inhaltsverzeichnis

Begriffsbestimmung

Die Stöchiometrie (von gr. στοιχειον, „Grundstoff“ und μετρειν, „messen“) ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie und dient der Berechnung von quantitativen Informationen, die aus einer Reaktionsgleichung gewonnen werden können. Sie beruht auf dem Massenerhaltungssatz.

W-Logo.gif Stöchiometrie, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 08.03.2008 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Stöchiometrischen Rechnungen

Bei den stöchiometrischen Rechnungen geht es darum, die Menge an Ausgangsstoff, Edukt(en), zu berechnen, die bei einer chemischen Reaktion eingesetzt werden muss. Die Berechnung lässt sich umkehren, so dass man bei Kenntnis der Menge an Edukt(en) die Menge an Produkt(en) bestimmen kann.

Unterrichtsidee: Einführung ohne Mol und molare Masse

In Rot stehen einige Anmerkungen, die der Erfahrung nach wichtig für das Verständnis der Schüler sind.

Beispielaufgabe: Wie viel Wasserstoff entsteht bei der Reaktion von 1 g Lithium mit Wasser?

1. Schritt: Zuerst muss die Reaktionsgleichung für die untersuchte Umsetzung erstellt werden. Eine Reaktionsgleichung beschreibt die Stoffumwandlung nicht nur qualitativ (Was?), sondern auch quantitativ (Wie viel?). Deshalb muss man erst einmal wissen, was miteinander reagiert und die Edukte (Ausgangsstoffe) und die Produkte (Endstoffe) bestimmen.
Dies kann man zuerst einmal mit Hilfe einer Wortgleichung machen ...

\mathrm{Lithium}+\mathrm{Wasser}\rightarrow\mathrm{Wasserstoff}+\mathrm{Lithiumhydroxid}

... um sich dann zu überlegen, wie die Symbol-Schreibweise für die Stoffe lautet:

\mathrm{Li}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightarrow\mathrm{H}_{2}+\mathrm{LiOH}

Durch das erste Aufschreiben der Wortgleichung kann verhindert werden, dass die Schüler beim Aufstellen der Reaktionsgleichung etwas vergessen oder beim Ausgleichen die Verbindungen verändern.

Damit die Umsetzung auch quantitativ richtig durch die Reaktionsgleichung beschrieben wird, muss die Reaktionsgleichung ausgeglichen werden, momentan enthalten die Edukte 2 H-Atome, während bei den Produkten aber 3 H-Atome vorkommen:

2\ \mathrm{Li}+2\ \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\rightarrow\mathrm{H}_{2}+2\ \mathrm{LiOH}

Nun ist die Reaktionsgleichung richtig.

2. Schritt: Die Berechnung beruht auf dem Prinzip der Proportionalität: Setzt man die doppelte Menge an Edukten ein, erhält man auch die doppelte Menge an Produkten. Man bestimmt deshalb die Massen der beteiligten Moleküle, die an der Reaktion beteiligt sind. Dazu verwendet man die Atommasse in u, wie sie im Periodensystem zu finden sind.

Meiner Erfahrung nach, fällt es den Schülern leichter, wenn sie mit Atommassen rechnen - statt mit molarer Masse.

2 Li + 2 H2O -> H2 + 2 LiOH
M = 2 × 7 u
= 14 u
M = 2 × ( (1 u × 2) + 16 u )
= 36 u
M = 1 u × 2
= 2 u
M = 2 × ( 7 u + 16 u + 1 u )
= 48 u

Gerade am Anfang hilft es, wenn man bei den Rechnungen anhand der Klammern ganz deutlich macht, wie man auf die Zahlen und Rechnungen kommt. Ich würde dies auch bei den ersten eigenen Rechnungen von den Schülern einfordern. Zur weiteren Verdeutlichung kann man die Zahlen für die Indices und stöchiometrischen Faktoren auch nach farbig markieren. Außerdem sollte man noch einmal darauf hinweisen, dass man unbedingt darauf achten sollte, dass der unbekannte Wert (das x) oben steht. Es kommt sonst häufig zu falschen Umrechnungen, die man sich ersparen kann.

So weiß man nun, dass aus 14 g Lithium 2 g Wasserstoff entstehen, womit man das Ergebnis berechnen kann:

\frac{m( \mathrm{Wasserstoff}) }{m( \mathrm{Lithium} ) } = \frac{2 u}{14u} = \frac{x}{1\ \mathrm{g} }

Auch hier: Zuerst aufschreiben, welche Werte man braucht. Damit nicht die falschen Massen verwendet werden.

Man kann in dieser Gleichung die Einheit u wegkürzen und sie nach x auflösen:

x = \frac{2}{14} \cdot 1\ \mathrm g \approx 0{,}143\ \mathrm g

Alternativ lässt sich das Ergebnis auch per Dreisatz-Rechnung bestimmen.

Hier lasse ich den Schülern eigentlich immer die Wahl. Wenn die Systematik und der Weg stimmt, ist es ja egal, wie sie das Ergebnis berechnen.

Das Ergebnis der stöchiometrischen Rechnung ist, dass für jedes eingesetzte Gramm Lithium 0,143 g Wasserstoff entstehen.

Mit Hilfe der Dichte kann man dann noch das Volumen des entstandenen Wasserstoffs berechnen: Es entstehen ≈1,59 Liter Wasserstoff.

Erst die Dichte verwenden, wenn mehrere "normale" Übungen durchgeführt wurden.

Unterrichtsidee: Einführung als dialogischer Unterricht

Nuvola apps edu miscellaneous.png   Unterrichtsidee

... von BirgitLachner. Da das Thema eher unbeliebt ist, habe ich nach einer Idee gesucht, wie man es für Schüler interessant machen kann.

Voraussetzungen:

  • chemische Reaktionen
  • Reaktionsschema = Reaktionsgleichungen mit Worten
  • Teilchenmodell

Kernidee: Es wird ein interessantes Experiment vorgeführt. Zusätzlich bekommen die Schüler auf Folie die Experimentieranweisung, auf denen die Mengen der einzelnen Ausgangsstoffe angegeben sind. Der Lehrer berichtet, dass solche genauen Anweisungen bei Experimentieranweisungen üblich sind. Bei Chemikern ist es üblich, wenn bestimmte Stoffe selber hergestellt werden sollen, dass dann auch die Mengen der Ausgangsstoffe ausgerechnet werden.

Fragen, die sich die Schüler dazu stellen könnten:

  • Was ist eigentlich, wenn man sich nicht an die Mengenangaben hält?
    • Wenn man zu wenig oder zu viel von einem Stoff nimmt?
    • Kann man das Experiment auch korrekt durchführen, wenn man von einem Ausgangsstoff weniger als die angegebene Menge hat.
  • Warum ist das alles denn so wichtig?
  • Kann man die Werte auch berechnen?

Offene Aufgabenstellung:

Was passiert, wenn man sich bei Experimentieranweisungen nicht an die Mengenangaben hält? Stelle Fragen und versuche selber die Fragen durch Vermutungen zu beantworten.

Für das Experiment XYZ sollst du eine Experimentier-Anweisung erstellen, bei der angegeben wird, wie viel der Ausgangsstoffe X und Y man zusammengeben muss.

Du sollst entweder experimentell oder theoretisch bestimmen, welche Mengen benötigt werden.

1.) Wenn du es experimentell machen willst: Beschreibe, welches Experiment du durchführen willst und wie du herausbekommen willst, welches die richtigen Mengen sind. Zu der Versuchsbeschreibung gehört auch ein Versuchsaufbau (benötigte Geräte und Chemikalien) und welche Sicherheitsregeln zu beachten sind.

Notiere alle durchgeführten Experimente und deren Ergebnisse.


2.) Wenn du es theoretisch machen willst:

...

Mol, Molare Masse

Noia 64 apps kontour.png   Meinung

Meiner Meinung nach, sollte man die Stöchiometrie nicht unter Verwendung der "molare Masse" und des Begriffs "Mol" einführen. Denn erst in Klasse 10 wird in der Mathematik die Potenzrechnung behandelt. So haben die Schüler nicht nur mit dem neuen Chemie-Thema zu kämpfen, sondern auch mit der ungewohnten mathematischen Schreibweise. BirgitLachner


Bitte ändere den Inhalt dieses Beitrags nicht. Denn er gibt eine persönliche Meinung wieder.

Das Mol (Einheitenzeichen: mol) ist die SI-Basiseinheit der Stoffmenge. Man kann diesen Begriff verdeutlichen, das es etwas ähnliches wie "ein Dutzend" ist.

Unterrichtsidee: Alle Mengenangaben in der Chemie auf einen Blick

Nuvola apps edu miscellaneous.png   Unterrichtsidee

Nach der Einführung des Mols als SI-Einheit, präsentiere ich den Schülern eine Übersicht auf dem OHP, wie man Mengen in der Chemie angibt. Diese kann von den Schülern natürlich auch selber gefunden werden:

  • Volumen
  • Masse
  • Stoffmenge
  • Teilchenanzahl

Nach und nach wird dann überlegt, wie man die einzelnen Werte ineinander umrechnen kann. Teilwiese ist dies bekannt (Dichte für die Umrechnung eines Volumens in Masse und umgekehrt).

Pdf20.gif Übersichtsblatt <- noch mit Fehler -> muss ersetzt werden.

... von BirgitLachner.

Massenwirkungsgesetz

...


Videos zur Erklärung

... zum Beispiel zum Einsatz bei Flipped Classroom

Einführung in die Stöchiometrie ohne Stoffmenge Film 1 und 2: In den Filmem wird erläutert, wo der Begriff Stöchiometrie bzw. Stöchiometrisch verwendet wird. Anhand eines Beispieles wird erklärt, wie man über das Aufstellen von Massenverhältnissen eine gesuchte Masse zu einer Reaktion bestimmen kann.


Stöchiometrische Berechnungen mit Gasen Film 1 und 2: Es werden zwei Aufgaben vorgerechnet wo jeweils das Volumen von Gasen, die an Reaktionen beteiligt sind, berechnet wird. Einmal wird der Satz von Avogadro genutzt und bei der zweiten Aufgabe wird die Stoffmengen und das Molvolumen berechnet.