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3. Stöchiometrie

Der Begriff Stöchiometrie leitet sich aus dem griechischen von „stoicheion“ („Element“) und „metron“ („Messen“) ab.

a. Chemische Formeln & Gleichungen

Liegt eine (1) unausgeglichene Gleichung vor, können die (2) Koeffizienten angepasst werden.

Währen der vordere Teil (gegebene Teilchen) (1) Edukt heißt, wird der hintere Teil (Elemente nach Reaktion) (2) Produkt genannt.

Symbolik

  • tex:(g) → gas
  • tex:(l) → Flüssig
  • tex:(s) → Fest
  • tex:(aq) → In Wasser
  • tex:\uparrow → Gasförmiges Produkt
  • tex:\downarrow → Niederschlag
  • tex:\Delta → Unter Temperaturanstieg (über dem Reaktionspfeil)

Beispiele

Beispiel 1

tex:\matrix { {Zn + HCl \longrightarrow ZnCl_2 + H_2} \over {1 2 1 1}

Ergebnis:

tex:Zn + 2HCl (aq) \longrightarrow ZnCl_2 \downarrow + H_2 \uparrow

Beispiel 2

tex:\displaystyle CaCO_3 {\Delta\atop\longrightarrow} CaO + CO_2 \uparrow

tex:H_2, O_2, N_2, Cl_2 sind polyatomare Moleküle, diese Elemente kommen immer „im Paar“ vor

Beispiel 3

Beispiel Verbennungsanalyse:

tex:2CH_3OH + 3O_2 \longrightarrow 2CO_2 + 4H_2O

b. Formelgewichtung

Das Formelgewicht gibt an, wie viel Masse in den Elementen innerhalb einer Formel enthalten ist. Dabei entspricht die Masse für ein Mol eines Elementes immer der molaren Masse.

Beispiel

tex:Ca_3(PO_4)_2: \quad 3Ca (40,08u) + 2P (30,97u) + 8O (16,0u) = 310,18u

Zusammensetzung

%Zusammensetzung: tex:\displaystyle \%Element = { {Zahl \cdot Atomgewicht} \over {Formelgewicht} } \cdot 100\%

Quantitative Analyse

Beispiel

tex:O_{2,1}H_{0,9} \longrightarrow H_9O_{21}

Probleme

Das Molekül tex:P_4O_{10} wird in einer quantitativen Analyse als tex:P_2O_5 erkannt werden, welches jedoch natürlich nicht vorkommt. Daher ist ein bestimmtes Wissen über das Molekül nötig, welches z.B. über eine Strukturformel ersichtlich ist (Methoden zur Molekulargewichtsbestimmung, siehe Kapitel 8).

Typische Vebrennungsanalyse

tex:%C + %H + %O = 100%

Resultat:

  • Bestimmte Menge tex:CO_2
  • Bestimmte Menge tex:H_2O
  • Differenz von tex:O

c. Mol

Der Begriff Mol bezeichnet die Stoffmenge (tex:n) und wird aus dem lateinischen „moles“ („Masse“) abgeleitet.

Definition

tex:1 mol = 6,0221412 \cdot 10^{23} Atome

  • tex:N_A → Avogadrozahl
  • tex:N_l → Loschmidtzahl

Ein Mol sind die Zahl der Atome in 12,000g des Isotops tex:^{12}_6C (natürliche Häufigkeit 12,011g).

Molare Masse

tex:\displaystyle n = {m \over M}

  • tex:n → Stoffmenge
  • tex:m → Masse
  • tex:M → Molare Mase (Molmasse)

Beispiel

tex:Ca_3(PO_4)_2: \thinspace 1 mol = 310,18g

tex:M(Ca_3(PO_4)_2) = 310,18g

d. Ausbeute

tex:\displaystyle \%Ausbeute = {{erhaltene Menge} \over {theoretische Menge}} \cdot 100\%

Die Ausbeute ist kleiner 100%, wenn:

  • Relative Anteile der Edukte entspricht nicht der Reaktionsgleichung → 1 Komponente zu früh verbraucht
  • Produktreste (z.B. an Glasgeräten, etc.)
  • Verdampfen oder unlösliche Rückstände
  • Konkurrenzreaktion → Nebenprodukte
Beispiel Nebenprodukte

tex:2P + 3Cl_2 \longrightarrow 2PCl_3

tex:[PCl_3 + Cl_2 \longrightarrow PCl_5]

e. Vorschau (wässrige) Lösungen

Beispiel: Tropfsteinhöhle

tex:CaCO_3(s) + H_2O + CO_2(aq) {\longleftarrow\atop\longrightarrow} Ca(HCO_3)_2(aq)

  • tex:H_2O + CO_2(aq)tex:H_2CO_3 Kolensäure
  • tex:HCO_3 → Calciumhydrogencarbonat

Elektrolytlösung

tex:NaCl(s) + H_2Cl(l) \longrightarrow Na^+(aq) + Cl^-(aq)

⇒ Leitfähigkeit des Produktes (solvatisierte, hydratisierte Ionen)

Moleküle, z.B. Zucker (z.B. Glucose tex:C_6H_{12}O_6 löst sich als Ganzes im Wasser.

tex:HCl + H_2O \longrightarrow H^+(aq) + Cl^-(aq)

  • tex:HCl → Chlorwasserstoff
  • tex:H^+(aq) + Cl^-(aq)tex:HCl(aq) → Salzsäure

Elektrolyte können unterschieden werden zwischen:

  • Starke Elektrolyte
  • Schwache Elektrolyte → z.B. Essigsäure (Gleichgewichtsreaktion, Kap 9+10)

Niederschlagsbildung

tex:2KI + Pb(NO_3)_2 \longrightarrow PbI_2 \downarrow + 2KNO_3

⇒ Löslichkeit des Löslichkeitsproduktes tex:PbI_2 ist überschritten und führt zu Niederschlag

tex:2KI(aq) + Pb(NO_3)_2(aq)

tex:2K^+(aq)+2I^-(aq) + Pb^{2+}(aq) + 2NO^-_3 \longrightarrow PbI_2 \downarrow + 2K^+(aq) + 2NO^-_3(aq)

Niederschlag als qualitativer Nachweis

Die Niederschlagsbildung kann als qualitativer Nachweis für Verbindungen genutzt werden.

tex:AgNO_3(aq) + KCl(aq) \longrightarrow AgCl\downarrow + KNO_3(aq)

Säure/Basen-Reaktionen

Brønstedt-Definition

  • Säure bildet tex:H^+ in Wasser
  • Base (Lauge) bildet tex:OH^- in Wasser bzw. nimmt tex:H^+ auf
Beispiele Säuren

tex:HCl + H_2O \longrightarrow H^+(aq) + Cl^-(aq)

tex:H_2SO_4 \longrightarrow H^+ + HSO^-_4 \longrightarrow H^+ + H^+ + SO^{2-}_4

⇒ 1-, 2-, 3-protonige Säuren

Organische Säuren:

Beispiele Basen

tex:NaOH + H_2O \longrightarrow Na^+(aq) + OH^-(aq)

tex:NH_3 + H_2O \longrightarrow NH_4^+ + OH^-

  • tex:NH_3 → Ammoniak
  • tex:NH^+_4 → Ammoniumion

Neutralisation

Die Neutralisation bezeichnet das Aufheben der Wirkung von Säuren oder Basen.

tex:Säure + Base \longrightarrow Wasser + Salz

tex:HCl + NaOH \longrightarrow H_2O + NaCl

Titration

Gasbildung

tex:HCl + NaHCO_3 \longrightarrow NaCl + H_2O + CO_2\uparrow

  • tex:NaHCO_3 → Natriumhydrogencarbonat

Redoxreaktion

Eine Redoxreaktion bezeichnet den gleichzeitigen Ablauf einer (1) Reduktion (Elektronen aufnehmen) und einer (2) Oxidation (Elektronen abgeben).

  • Reduktion → Elektronen aufnehmen (stärkere negative Ladung)
  • Oxidation → Elektronen abgeben (stärkere positive Ladung)

tex:Ca + 2H^+ \longrightarrow Ca^{2+} + H_2

tex:2Ca + O_2 \longrightarrow 2Ca^{(+2)}O^{(-2)}

⇒ Ladungsausgleich

Oxidationszahlen

  • Elementar → tex:OZ = 0
  • Monoatomare Atome → tex:OZ = Ladung
  • Polyatomare Atome → tex:OZ = \sum Ladungen (Summe der Ladungen der einzelnen Komponenten)
Nichtmetalle
  • Sauerstoff → tex:O: -2, [O^{2-}_2]
  • Wasserstoff → tex:H: +1, [H^-]
  • Flour → tex:F: -1
  • Halogene → tex:Hal: -1, aber auch tex:[+1, +3, +5, +7]

Oxidierende und reduzierende Reagenzien

  • Oxidationsmittel → Oxidiert andere, wird selbst reduziert
  • Reduktionsmittel → Reduziert andere, wird selbst oxidiert

tex:Zn^{(\pm0)} + H^{(+)}Br \longrightarrow Zn^{(+2)}Br_2 + H_2

tex:Mn + Pb(NO_3)_2 \lonrightarrow Mn(NO_3)_2 + Pb

tex:Mn^{(\pm0)} + Pb^{2+} + 2NO^-_3 \lonrightarrow Mn^{2+} + Pb^{(\pm0)} + 2NO^-_3

tex:Mn + Pb^{2+} \lonrightarrow Mn^{2+} + Pb

tex:Fe + Ni^{2+} \longrightarrow Fe^{2+} + Ni

Aktivitätsreihe von Metallen in wässrigen Lösungen

Metall Oxidationsreaktion
Lithium tex:Li(s) \longrightarrow Li^+(aq) + e^-
Kalium tex:K(s) \longrightarrow K^+(aq) + e^-
Calcium tex:Ca(s) \longrightarrow Ca^{2+}(aq) + 2e^-
Aluminium tex:Al(s) \longrightarrow Al^{3+}(aq) + 3e^-
Eisen tex:Fe(s) \longrightarrow Fe^{2+}(aq) + 2e^-
Wasserstoff tex:H_2(g) \longrightarrow 2H^+(aq) + 2e^-
Kupfer tex:Cu(s) \longrightarrow Cu^{2+}(aq) + 2e^-
Silber tex:Ag(s) \longrightarrow Ag^+(aq) + e^-
Gold tex:Au(s) \longrightarrow Au^{3+}(aq) + 3e^-
  • Je weiter oben die Metalle stehen, desto leichter ist die Oxidation
  • Die Metalle oberhalb von Wasserstoff lösen sich in Säure auf

tex:Cu + 4HN^{(+5)}O_3 \longrightarrow Cu^{2+} + 2N^{(+4)}O_2 \uparrow + 2H_2O + 2NO_3^-

tex:4HNO_3 ist in diesem Fall die oxidierende Säure

Trennung von Metallen

  • Scheidewasser → Trennung Gold/Silber
  • Königswasser → Trennung Gold/Platin
Königswasser

Königswasser besteht aus tex:HCl : HNO_3 im Verhältnis 3:1.

tex:HNO_3 + 3HCl \longrightarrow NOCl + 2Cl + 2H_2O (Reaktionsmechanismus Kap. 9)

  • tex:NOCl → Nitrosylchlorid

tex:Au + NO_3^- + 4H^+ + 4Cl^- \longrightarrow AuCl^-_4 + 2H_2O + NO (endgültige Reaktionsgleichung)

Konzentrationsangaben

DIe Konzentration wird mit tex:c bezeichnet.

tex:c = {n \over V}, \quad [c] = {{mol} \over l}

  • tex:V → Volumen

⇒ Molare Lösung → tex:1M = 1{{mol} \over l}

Beispiel

1M NaCl → 1mol Na+ & 1mol Cl-

⇒ Insgesamt 2mol Ionen

tex:HCl + NaOH \longrightarrow H_2O + NaCl

tex:Mn^{(\pm 0)} + Pb^{(+2)}(NO_3)_2 \longrightarrow Mn^{(+2)}(NO_3)_2 + Pb^{(\pm 0)}

 
uni-leipzig/physik/module/chemie/3.txt · Zuletzt geändert: 2013/08/04 13:34 (Externe Bearbeitung)
 
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