Merkblatt Stöchiometrie, Formelarten und Konzentration Mischung PDF

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Einführung in die Chemie für Ingenieure Zusammenfassung: [Stöchiometrie]

Definition Stöchiometrie Die Lehre der quantitativen Beziehungen zwischen Elementen in einer Verbindung und zwischen Elementen und Verbindungen, die an einer chemischen Reaktion beteiligt sind.

Zusammenfassung Die Zusammensetzung einer Verbindung wird durch ihre chemische Formel zum Ausdruck gebracht. Wenn die Verbindung aus Molekülen besteht, so gibt die Molekularformel an, wie viele Atome jedes Elements im Molekül enthalten sind. Bei Ionenverbindungen, gibt die Formel die relative Zahl der vorhandenen Ionen an. Da die Moleküle nicht unmittelbar in Abhängigkeit ihrer Größe oder ihres Gewichtes miteinander reagieren, sondern abhängig von der vorhandenen Teilchenanzahl, wird zur Berechnung die Stoffmenge mit der Einheit Mol definiert (siehe Beispiel). Ein Mol eines Elements enthält die 6*1023 (AVOGADRO-Zahl) Atome. Die Masse eines Mols einer Verbindung ergibt sich durch Addition der relativen Atommassen der beteiligten Elemente entsprechend der Summenformel der Verbindung. Aus der Summenformel einer Verbindung kann ihre prozentuale Zusammensetzung (Massenanteil der Elemente in % ausgedrückt) berechnet werden. Umgekehrt lässt sich aus der prozentualen Zusammensetzung die empirische Formel berechnen. Die Empirische Formel beschreibt das einfachste ganzzahlige Zahlenverhältnis, in dem Atome in einer Verbindung vorkommen.

Beispiel: 2H2 + O2  2H2O Masse: m(H) = 4 g m(O) = 32 g m(H2O) = 36 g

∙8

Stoffmenge: n(H2) = 2 n(O2) = 1 n(H2O) = 2

∙

1

2

Die Verbrennung von Wasserstoff erfordert doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff. Gleichzeitig ist die benötigte Wasserstoffmasse achtmal geringer als die Sauerstoffmasse.

1

Chemische Formeln (Summenformel) Die Zusammensetzung eines reinen Stoffes wird mit seiner chemischen Formel angegeben. Jedes vorhandene Element wird durch sein Elementsymbol bezeichnet, gefolgt von einer tiefgestellten Zahl zur Angabe der relativen Anzahl der Atome. Bei Verbindungen, die aus Molekülen bestehen, wird die Zahl der Atome im Molekül angegeben. H2O ist zum Beispiel die Molekularformel für Wasser.

Empirische Formeln (Verhältnisformel) Eine empirische Formel gibt das einfachste Zahlenverhältnis einer Verbindung an. Die Molekularformel von Wasserstoffperoxid, H2O2, zeigt ein Atomverhältnisse von 2:2, was allerdings nicht das einfachste Zahlenverhältnis ist, dies wäre 1:1. Die Empirische Formel wäre also HO. Durch eine chemische Analyse lässt sich nur die empirische Formel eines reinen Stoffes ermitteln. Um die Molekularformel zu bestimmen, sind zusätzliche Daten notwendig, z.B. das Massenverhältnis der beteiligten Elemente.

Masseanteil (prozentuale Zusammensetzung) Für Verbindungen und Gemische sind oftmals die anteilige Masse einzelner Komponenten interessant. Diese werden dann als prozentualer Massenanteil an der Gesamtmasse angegeben. Dies ist leicht anhand von chemischen Formeln zu berechnen. Die Indexzahlen geben die Anzahl der Mole einer Komponente in einem Mol der Verbindung. Über die molare Masse sind die Massen bestimmbar, sodass sich ergibt: 𝑚𝐾𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 (Komponente) = (Komponente): proz. Masseanteil 𝑚𝑆𝑡𝑜𝑓𝑓𝑔𝑒𝑚𝑖𝑠𝑐ℎ

Ermittlung empirische Formel Die Ergebnisse der chemischen Analyse einer Verbindung können zur Ermittlung ihrer empirischen Formel dienen. 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 Mole der verschiedenen in der Verbindung vorliegenden Elemente 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.

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Konzentrationen Die Stoffmenge n wird in der Einheit [mol] angegeben. Die Masse m wird in der Einheit [g] angegeben. Die Massenkonzentration ω in einem Volumen V [L] ist: ω= m/V [g/L] Die molare Konzentration ist die Stoffmengenkonzentration c: c = n/V [mol/L]

Mischung/Verdünnung Allgemeine Regeln zur Mischungsrechnung (= Gesamtanzahl der Mole müssen erhalten bleiben!): 1. n1+n2+...+nn = nM 2. c1·V1+c2·V2+...+cn·Vn = cM·VM Allgemeine Regel zur Verdünnung: c1·V1= n1= n2= c2*V2

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