3.4 Buch chemie PDF

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3.4 Buch chemie...

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3.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen Die relative Atommasse Ar und die relative Molekülmasse Mr sind reine Zahlen, ohne Angabe einer Einheit. In dieser Art stehen sie in den Listen der Elemente. Die relative Atommasse ist eine Verhältniszahl, nämlich das Verhältnis der mittleren Atommasse eines Elements zu einem Zwölftel der Masse eines 126C-Atoms. Formulierung: ,,Natrium hat die relative Atommasse 22,98977; kurz: Ar(Na) = 22,98977. Wasser hat die relative Molekülmasse 18,015; Mr (H2O) = 18,015.‘‘ In Atommasseneinheiten u hat ein 126C-Atom definitionsgemäß die Masse 12 u. Die mittlere Masse eines Atoms eines Elements wird in Atommasseneinheiten u angegeben. Formulierung: ,,Die Masse eines Natrium-Atoms beträgt 22,98977 u. Die Masse eines Wasser-Moleküls beträgt 18,015 u‘‘. Ein Mol eines Elements oder einer Verbindung hat die dem Zahlenwert der relativen Atommasse bzw. Molekülmasse entsprechende Masse M in Gramm pro Mol. Formulierung: ,,Die molare Masse von Natrium beträgt 22,98977 g/mol; kurz: M(Na) = 22,98977 g/mol; die molare Masse von Wasser beträgt 18,015 g/mol; M(H 2O) = 18,015 g/mol‘‘.

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n (X) = Stoffmenge des Stoffes mit Formel X Maßeinheit: Mol (mol) m(X) = Masse des Stoffes mit Formel X Maßeinheit: Gramm (g) M (X) = molare Masse des Stoffes mit Formel X Maßeinheit: Gramm pro Mol (g/mol) m (X) n (X) = M (X)

Beispiel 3.2 Es werden 0,2500 mol Schwefelsäure benötigt. Wieviel Gramm müssen abgewogen werden? Da die angegebene Menge auf vier Stellen angegeben ist, soll das Ergebnis mit vier signifikanten Stellen angegeben werden. M(H2SO4) = 98,08 g/mol m (H2SO4) = n(H2SO4) · M(H2SO4) = 0,2500 mol · 98,08 g/mol = 24,52 g

3.4 Prozentuale Zusammensetzung von Verbindungen Der prozentuale Massenanteil der Elemente in einer Verbindung kann leicht aus der Formel berechnet werden. Die Indexzahlen in der Formel geben die Anzahl der Mole jedes Elements in einem Mol der Verbindung an. Zusammen mit den molaren Massen der Elemente kann man die entsprechende Masse jedes Elements in Gramm berechnen. Nach Division durch die Molmasse der Verbindung erhält man den Massenanteil w des jeweiligen Elements; Multiplikation mit 100 ergibt dann den Prozentgehalt. %-Angaben beziehen sich, wenn nichts Gegenteiliges angegeben ist, immer auf Massenanteile. Weil dies nicht immer beachtet wird, kann man, um Fehler zu vermeiden, anstelle einer %-Angabe die eindeutige Bezeichnung Centigramm pro Gramm (cg/g) verwenden.

Beispiel 3.3 Wie viel Prozent Eisen sind im Eisen(III)-oxid Fe2O3 enthalten? Ein Mol Fe2O3 enthält: n(Fe) = 2 mol; n(O) = 3 mol m (Fe) = n(Fe) · M (Fe) = 2 mol · 55,8 g/mol = 111,6 g m (O) = n(O) · M (O) = 3 mol · 16,0 g/mol = 48,0 g m (Fe2O3)

= 159,6 g

Mortimer, Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage (ISBN 978-3-13-484309-5), © 1973, 2007 Georg Thieme Verlag Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden! All rights reserved. Usage subject to terms and conditions of license.

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3 Stöchiometrie Teil I: Chemische Formeln Massenanteil des Fe in Fe2O3: w (Fe) =

111,6 g m (Fe) = = 0,6993 m (Fe2O3) 159,6 g

Prozentgehalt des Fe in Fe2O 3: w (Fe) · 100 % = 69,93 % = 69,93 cg/g

Bei der chemischen Analyse einer Verbindung erhält man deren prozentuale Zusammensetzung. Daraus kann die empirische Formel der Verbindung bestimmt werden. Das Beispiel 3.4 illustriert den üblichen Analysenweg für eine organische Verbindung. Der Prozentgehalt eines Elements in einer Probe lässt sich ähnlich auch bestimmen, wenn bekannte Mengen von Fremdstoffen anwesend sind: siehe Beispiel 3.5. Man beachte bei den Beispielen, dass die berechneten Werte immer auf so viele signifikante Stellen angegeben sind, wie es den vorgegebenen Werten entspricht.

Beispiel 3.4 Nicotin enthält Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Wenn 2,50 g Nicotin verbrannt werden, erhält man 6,78 g CO 2, 1,94 g H 2O und 0,432 g N2. Welche prozentuale Zusammensetzung hat Nicotin? Aller Kohlenstoff der Probe findet sich in den 6,78 g CO2, aller Wasserstoff in den 1,94 g H2O. Mr (CO2) = 44,0; Mr (H2O) = 18,0 Der Kohlenstoffanteil im CO2 beträgt: w (C) =

n(C) · Mr (C) Mr (CO2)

=

1 · 12,0 = 0,273 44,0

Die Kohlenstoffmasse im CO2 und damit in der Probe beträgt: m (C) = w (C) · m (CO2) = 0,273 · 6,78 g = 1,85 g H-Anteil im H2O: w (H) =

n(H) · Mr (H) 2 · 1,01 = = 0,112 Mr (H2O) 18,0

m (H) = w (H) · m (H2O) = 0,112 · 1,94 g = 0,218 g Durch Division mit der ursprünglichen Probenmasse erhält man die Prozentgehalte der Elemente im Nicotin: 1,85 g m (C) · 100% = 74,0 % C · 100% = 2,50 g m (Nicotin) 0,218 g m (H) · 100 % = · 100% = m (Nicotin) 2,50 g

8,72% H

0,432 g m (N) · 100 % = · 100% = 17,3% N m (Nicotin) 2,50 g 100,0% Mortimer, Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage (ISBN 978-3-13-484309-5), © 1973, 2007 Georg Thieme Verlag Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden! All rights reserved. Usage subject to terms and conditions of license.

3.5 Ermittlung chemischer Formeln

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Beispiel 3.5 Wie groß ist der Eisengehalt in einem Erz, das zu 70,0 % aus Fe 2O3 besteht? Zunächst wird der Massenanteil von Fe in Fe 2O3 berechnet (vgl. Beispiel 3.3), dann werden davon 70,0% genommen: w(Fe) · 70,0% = 0,699 · 70,0% = 48,9% Fe im Erz

3.5 Ermittlung chemischer Formeln Die Werte der chemischen Analyse einer Verbindung dienen zur Ermittlung ihrer empirischen Formel. Die Analyse ergibt die relativen Massenanteile der Elemente in der Verbindung. Da ein Mol eines Elements gleich viele Atome enthält wie ein Mol eines anderen Elements, ist das Verhältnis der Molzahlen zueinander das gleiche wie das Verhältnis der Atomzahlen zueinander. Die Zahl der Mole eines Elements in einer Probe lässt sich leicht aus der vorhandenen Masse dieses Elements berechnen. Das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Zahl der Mole der verschiedenen Elemente in der Verbindung ergibt die empirische Formel. Man geht folgendermaßen vor: Der Prozentgehalt der Elemente einer Verbindung gibt an, wie viel Gramm des jeweiligen Elements in 100 g der Probe enthalten sind. Aus dieser Gramm-Zahl wird berechnet, wie viele Mol des betreffenden Elements in den 100 g enthalten sind; dies geschieht durch Division durch die jeweilige Molmasse des Elements. Alle erhaltenen Molzahlen werden durch die kleinste dieser Molzahlen dividiert; wenn dabei nicht für alle Elemente ganze Zahlen erhalten werden, multipliziert man alle Zahlen mit einem ganzzahligen Faktor, der für alle Elemente eine ganze Zahl ergibt. Die erhaltenen Werte entsprechen den Indexzahlen der empirischen Formel.

Beispiel 3.6 Welche ist die empirische Formel einer Verbindung, die 43,6% P und 56,4% O enthält? In 100 g der Verbindung sind 43,6 g P und 56,4 g O enthalten. In mol sind das: n (P) = n (O) =

m (P) M (P)

=

43,6 g = 1,41 mol 30,97 g/mol

56,4 g m (O) = 3,53 mol = M (O) 16,00 g/mol

Division beider Zahlen durch die kleinere von ihnen ergibt: 1,41 1,41

= 1,00 für P

3,53 = 2,50 für O 1,41 Durch Multiplikation mit 2 erhält man die ganzen Zahlen 2 und 5. Die empirische Formel lautet P2O5 . Mortimer, Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage (ISBN 978-3-13-484309-5), © 1973, 2007 Georg Thieme Verlag Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden! All rights reserved. Usage subject to terms and conditions of license....