Stöchiometrie Stöchiometrie SS 2008 B.Sc. GMG Von: Friederike Baumgart, Denise Freisewinkel...

StöchiometrieStöchiometrie SS 2008 B.Sc. GMG

Von: Von: Friederike Baumgart,Friederike Baumgart, Denise Freisewinkel Denise Freisewinkel

Sabrina Pleßa Sabrina Pleßa

Konzentrationsangaben Konzentrationsangaben

Maßeinheit: Mol (mol)Maßeinheit: Mol (mol)

n(x) = Stoffmenge des Stoffes mit Formel Xn(x) = Stoffmenge des Stoffes mit Formel X

m(x) = Masse des Stoffes mit Formel X (g) m(x) = Masse des Stoffes mit Formel X (g) GrammGramm

M(x) = molare Masse des Stoffes (g/mol)M(x) = molare Masse des Stoffes (g/mol)

n(x) = m(x)/M(x)n(x) = m(x)/M(x)

MolenbruchMolenbruch (Stoffmengenanteil x) (Stoffmengenanteil x)

Verhältnis der Stoffmenge einer Verhältnis der Stoffmenge einer Komponente eines Gemisches zur Komponente eines Gemisches zur gesamt Stoffmengegesamt Stoffmenge

BeispielBeispiel

Eine Lösung enthält 36,5 g HCL und 36 g HEine Lösung enthält 36,5 g HCL und 36 g H22O.O.

Wie groß sind die Stoffmengenanteile?Wie groß sind die Stoffmengenanteile?

n(HCL)= m(HCL) / M(HCL)= 36,5g/36,5g/mol= 1 moln(HCL)= m(HCL) / M(HCL)= 36,5g/36,5g/mol= 1 moln(Hn(H22O) / M(HO) / M(H22O) = 36g / 18g/mol= 2 molO) = 36g / 18g/mol= 2 mol

x(HCL)= n(HCL) / n(HCL)+ n(Hx(HCL)= n(HCL) / n(HCL)+ n(H22O)= 1mol / (1+2) mol= 0,333O)= 1mol / (1+2) mol= 0,333

x(Hx(H22O)= n(HO)= n(H22O) / n(HCL)+n(HO) / n(HCL)+n(H22O)= 2mol/ (1+2)mol= 0,667O)= 2mol/ (1+2)mol= 0,667

MassenprozentMassenprozent

Der Massenanteil W(X) eines gelösten Stoffes X ist der Der Massenanteil W(X) eines gelösten Stoffes X ist der Massenanteil dieses Stoffes bezogen auf die Gesamtmasse Massenanteil dieses Stoffes bezogen auf die Gesamtmasse der Lösung. der Lösung.

Eine wässrige Lösung mit einem Anteil von Eine wässrige Lösung mit einem Anteil von 10% Natriumchlorid [w (NaCl)= 0,1] enthält 10g NaCl 10% Natriumchlorid [w (NaCl)= 0,1] enthält 10g NaCl und 90g H und 90g H22O in 100g Lösung. O in 100g Lösung.

Der mit 100 multiplizierte Wert des Massenanteils w(X) Der mit 100 multiplizierte Wert des Massenanteils w(X) gibt den Anteil in Massenprozent an. gibt den Anteil in Massenprozent an.

Beispiel:Beispiel:

Es werden 0,25 mol Schwefelsäure benötigt.Es werden 0,25 mol Schwefelsäure benötigt.Wie viel Gramm müssen abgewogen werden? Wie viel Gramm müssen abgewogen werden?

M(HM(H22SOSO44)= 98,08 g/mol)= 98,08 g/mol

m(Hm(H22SOSO44)= n(H)= n(H22SOSO44)*M(H)*M(H22SOSO44)= 0,25 )= 0,25

0,25 mol* 98,08 g/mol0,25 mol* 98,08 g/mol

=24,52 g=24,52 g

VolumenprozenteVolumenprozente

Beispiel:Beispiel:Wie viel Gramm Salpetersäure werden benötigt, um 250 ml einer Lösung Mit einer Stoffmengenkonzentration c(HNO3)= 2 mol/L herzustellen?

Welches Volumen der konzentrierten Salpetersäure ist zu nehmen?

konzentrierte Säure enthält 70% HNO3 Dichte 1,42 g/mL Konzentration: c(HNO3)= 2 mol/L Molmasse: M(HNO3)= 63 g/mol

Benötigte Masse HNO3 für 0,25L Lösung:

m(HNO3)= 0,25L * c(HNO3) * M(HNO3) = 0,25L*2mol/L*63g/mol= 31,5 g

Benötigte Masse von konzentrierter Salpetersäure:

m(HNO3,70%)= m(HNO3) * 100% / 70%= 45 g

Volumen: V( HNO3,70%)= m(HNO3,70%) / p(HNO3,70%)= 45g / 1,42g/mL= 31,7 mL

Molarität Molarität (Stoffmengenkonzentration c)(Stoffmengenkonzentration c)

bezeichnet die gelöste Stoffmenge pro bezeichnet die gelöste Stoffmenge pro Volumeneinheit der Lösung Volumeneinheit der Lösung

Angabe in der Regel: (mol/l)Angabe in der Regel: (mol/l)

Ein Mol ist die Stoffmenge die aus der Ein Mol ist die Stoffmenge die aus der Avogado -Zahl (6,02214-10²²) Teilchen besteht.Avogado -Zahl (6,02214-10²²) Teilchen besteht.

n = gelöste Stoffmenge n = gelöste Stoffmenge V = Volumen der LösungV = Volumen der Lösung

C = n / vC = n / v

BeispielBeispiel

5g Fe:5g Fe:

M (Fe)= 55,8 g/MolM (Fe)= 55,8 g/Mol=> m(x) / M(x)=> m(x) / M(x)=> 5/55,8 = 0,09 Mol => 5/55,8 = 0,09 Mol

MolalitätMolalität

bezieht sich auf das Volumenbezieht sich auf das Volumen

Äquivalentkonzentration Äquivalentkonzentration (früher: Normalität)(früher: Normalität)

Die Äquivalentkonzentration N, (Formelzeichen: ceq), ist eine Konzentrationsangabe

spezielle Stoffmengenkonzentration, bei der die zu Grunde gelegten Teilchen nicht ganze Atome, Moleküle oder Ionen,sondern gedachte Bruchteile 1/z solcher Teilchen sind.

z: Äquivalentzahl; die stöchiometrische Wertigkeit

Im Falle z = 3 ist also die Äquivalentkonzentration 3-mal so großwie die Stoffmengenkonzentration, weil sozusagen jedes ganzeTeilchen z-mal gezählt wird.

Die Bruchteile 1/z nennt man auch Äquivalentteilchen oder Äquivalente.

ceq ist ein Maß dafür, wie viele Äquivalentteilchen eines Stoffes sich in einem bestimmten Volumen der Lösung befinden.

Beispiel

Umsetzung von Schwefelsäure (H2SO4) mit Natronlauge(NaOH)

Setzt man 100 ml einer 1 M H2SO4 mit 100 ml einer 1 M NaOH um, so ist erst die Hälfte der Säure neutralisiert, da Schwefelsäure eine zweibasige Säure ist.

vollständige Neutralisation:200 ml der 1 M NaOH muss zugesetzt werden:

Umsetzung mit 1 Mol NaOH:1. H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O

Umsetzung mit 2 Mol NaOH:2. H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

Massenprozente (aus chem. Analyse) in chem. Massenprozente (aus chem. Analyse) in chem. Formel umrechnenFormel umrechnen

Der prozentuale Massenanteil der Elemente in einerDer prozentuale Massenanteil der Elemente in einer Verbindung kann aus der Formel berechnet werden. Verbindung kann aus der Formel berechnet werden.

Mit der Anzahl der Mole (Indexzahl) und molarenMit der Anzahl der Mole (Indexzahl) und molaren Masse kann man die Masse jedes Elements in Masse kann man die Masse jedes Elements in Gramm berechnen Gramm berechnen

BeispielBeispiel

Wie viel % Eisen sind im Eisen(III)oxid FeWie viel % Eisen sind im Eisen(III)oxid Fe22OO33 enthalten?enthalten?

n(Fe)=2 mol ; n(O)=3Moln(Fe)=2 mol ; n(O)=3Mol

m(Fe)= n(Fe) * M(Fe)=2Mol * 55,8g/molm(Fe)= n(Fe) * M(Fe)=2Mol * 55,8g/mol =111,6 g =111,6 g

m(O)=n(O) *M(O)= 3mol*16,0 g/molm(O)=n(O) *M(O)= 3mol*16,0 g/mol = 48,0 g = 48,0 g

m(Fem(Fe22OO33) =159,6 g) =159,6 g

Massenanteil w des Fe in FeMassenanteil w des Fe in Fe22OO33::

w(Fe)= m(Fe)/m(F2O3)= 111,6g/159,6 g =0,6993 gw(Fe)= m(Fe)/m(F2O3)= 111,6g/159,6 g =0,6993 g

Prozengehalt des Fe in FeProzengehalt des Fe in Fe22OO33::

w(Fe)*100% =69,93% w(Fe)*100% =69,93%

daraus kann die empirische Formel daraus kann die empirische Formel bestimmt werden bestimmt werden

Ermittlung chem. FormelnErmittlung chem. Formeln

Werte der chem. Analyse einer Verbindung dienen Werte der chem. Analyse einer Verbindung dienen zur Ermittlung der empirischen Formelnzur Ermittlung der empirischen Formeln

Analyse: ergibt relative Massenanteil der Elemente Analyse: ergibt relative Massenanteil der Elemente in der Verbindungin der Verbindung

Verhältnis der Molzahlen zueinander ist das gleiche Verhältnis der Molzahlen zueinander ist das gleiche wie das Verhältnis der Atomzahlen zueinanderwie das Verhältnis der Atomzahlen zueinander

Das einfachste ganzzählige Verhältnis der Zahl der Das einfachste ganzzählige Verhältnis der Zahl der Mole der Elemente in Verbindungen ergibt die Mole der Elemente in Verbindungen ergibt die empirische Formelempirische Formel

daraus wird berechnet wie viel Mol des daraus wird berechnet wie viel Mol des Elements in 100g enthalten sindElements in 100g enthalten sind das geschieht durch Division durch die das geschieht durch Division durch die

jeweilige Molmasse des Elements jeweilige Molmasse des Elements (wenn keine ganzen Zahlen (wenn keine ganzen Zahlen

rauskommen, rauskommen, multipliziert man alle Zahlen multipliziert man alle Zahlen mit einem mit einem ganzzähligen Faktor)ganzzähligen Faktor)

daraus folgt die Indexzahldaraus folgt die Indexzahl

BeispielBeispiel

Welche ist die empirische Formel einer Verbindung, Welche ist die empirische Formel einer Verbindung, die 43,6% P und 56,4 % O enthält?die 43,6% P und 56,4 % O enthält?

In 100 g der Verbindung sind 43,6g P und 56,4g O enthalten.In 100 g der Verbindung sind 43,6g P und 56,4g O enthalten.In mol sind das:In mol sind das:

n (P) = m (P)/M(P) = 43,6g / 30,97g/mol= 1,41 moln (P) = m (P)/M(P) = 43,6g / 30,97g/mol= 1,41 mol

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

Division beider Zahlen durch die Kleinere von ihnen ergibt:Division beider Zahlen durch die Kleinere von ihnen ergibt:

1,41 / 1,41=1,00 für P1,41 / 1,41=1,00 für P3,53 / 1,41=2,50 für O3,53 / 1,41=2,50 für O

Durch Multiplikation mit 2 erhält man die ganzen Zahlen 2Durch Multiplikation mit 2 erhält man die ganzen Zahlen 2 und 5. Die empirische Formel lautet und 5. Die empirische Formel lautet PP22OO55..

Stöchiometrisch richtiges Aufstellen von chemischen Gleichungen

Es gilt das Gesetz der Erhaltung der Masse

d.h. die Zahl der Mole jedes Elements muss auf beiden Seiten miteinander übereinstimmen

In zwei Schritten stellt man die Formel um:

1.

Formeln aller Reaktanden, ein Pfeil und die Formeln der Produkte werden notiert

die Gleichung kann sonst nicht aufgestellt werden

wenn nötig kann auch der Aggregatzustand in Klammern hinzugefügt werden:

g = gasförmig l = flüssig

s = fest aq.= in Wasser gelöst

2.2.

Gleichung ausgleichen

-> die Mole müssen die gleiche Anzahl haben

Um Molzahlen auszugleichen, multipliziert man mit entsprechende Vorzahlen (=Koeffizienten)

1. Beispiel

5 H²O sind 5 Moleküle Wasser

das entspricht 5 * 2 Atomen Wasserstoff = 10 H-Atome 5 * 1 Atome Sauerstoff = 5 O-Atome

Prüfung der Atomzahlen eines jeden Elements auf beiden Seiten des Reaktionsschemas

Die Atomzahlen errechnen sich als Produkt aus Koeffizient und Indexzahl

2. Beispiel:

C5 H12 + O CO2 + H2OPentan

Lösung: C5 H12 + 8 O2 5CO2 + 6H2O

Verdünnungsreihen

Die Stoffmenge n eines gelösten Stoffes in einer Lösung der Konzentration c1 und dem Volumen V1 ist:

n = c1 * V1

Verdünnung von Lösungen: vergrößert sich ihr Volumen auf den neuen Wert V2 bleibt die darin gelöste Stoffmenge n jedoch unverändert

c1 = n/V2 = c1 * V1/V2

Beispiel:

Welches Volumen einer Lösung mit c1 (HCl) = 12,0 mol/L wird benötigt, um 500 m/L einer Lösung mit c2 (HCl) = 3,00 mol/ L herzustellen?

Nachteil:

Temperaturabhängigkeit

FällungsreaktionenFällungsreaktionen

chemische Reaktion, indem mindestens eins chemische Reaktion, indem mindestens eins der Produkte schwer oder sogar unlöslich ist der Produkte schwer oder sogar unlöslich ist

übrigen Edukte im Lösungsmittel können dabei übrigen Edukte im Lösungsmittel können dabei gelöst vorliegen gelöst vorliegen

Diese schwer löslichen Produkte werden Diese schwer löslichen Produkte werden als Niederschlag bezeichnet als Niederschlag bezeichnet

In der Summenformel werden sie mitIn der Summenformel werden sie mit „Pfeil nach unten“ oder (s) für solid angezeigt „Pfeil nach unten“ oder (s) für solid angezeigt

Welche Löslichkeit hat Bariumsulfat in einer Lösung von Natriumsulfat, c(NA2SO4)=0,050 mol/L?

L = 1,5*10-9 mol2/L2 bei 25°C.Die SO4

2- – Menge aus dem BaSO4 kann gegenüber c(SO42-) der

Lösung vernachlässigt werden.

c(Ba2+)*c(SO42-)= L

c(Ba2+)*0,050mol/L=1,5*10-9mol2/L2

c(Ba2+)=3,0*10-8mol/L

c(Ba2+ ) in der Lösung entspricht der Stoffmenge BaSO4,die pro Liter in Lösung geht. Die Löslichkeit ist auf 3,0*10-8mol/L verringert.

Das Bariumsulfat ist in diesem Fall der Niederschlag, somit das schwerlösliche Produkt

In reinem Wasser lösen sich 3,9*10-5 mol/L.

3 Arten von Fällungsreaktionen:3 Arten von Fällungsreaktionen:

1.1. Ionenprodukt < L Ionenprodukt < L Heißt, dass die Lösung nicht gesättigt ist und, dass weiter Heißt, dass die Lösung nicht gesättigt ist und, dass weiter

Substanzen gelöst werden können bis Wert L erreicht Substanzen gelöst werden können bis Wert L erreicht

2. Ionenprodukt = L 2. Ionenprodukt = L In diesem Falle sind Ionenprodukt und Löslichkeitsprodukt im In diesem Falle sind Ionenprodukt und Löslichkeitsprodukt im Gleichgewicht. Gleichgewicht.

3. Ionenprodukt > L 3. Ionenprodukt > L Hierbei wurde der maximale Wert für das Löslichkeitsprodukt Hierbei wurde der maximale Wert für das Löslichkeitsprodukt überschritten. Nun treten Fällungen ein bis der Wert L eintritt. überschritten. Nun treten Fällungen ein bis der Wert L eintritt.

Fällungsreaktionen in Abhängigkeit vom pH-Fällungsreaktionen in Abhängigkeit vom pH-Wert Wert

(Sulfid-Abtrennung im Kationentrennungsgang)(Sulfid-Abtrennung im Kationentrennungsgang)

Sulfid-Ionen-Konzentration in einer sauren, mit Sulfid-Ionen-Konzentration in einer sauren, mit HH22S gesättigten Lösung ist extrem gering S gesättigten Lösung ist extrem gering (( bei pH = 0 in 100ml Lösung sind ca. sieben S bei pH = 0 in 100ml Lösung sind ca. sieben S2-2- vorhanden)vorhanden)

Trotzdem erfolgt eine sofortige Fällung von Trotzdem erfolgt eine sofortige Fällung von Blei(||)-Sulfid bei Zufuhr von PbBlei(||)-Sulfid bei Zufuhr von Pb2+2+

Eine direkte Reaktion aus PbEine direkte Reaktion aus Pb2+2+ -und S -und S2-2-- Ionen - Ionen scheint ausgeschlossenscheint ausgeschlossen

es bildet sich wahrscheinlich ein Hydrogensulfid es bildet sich wahrscheinlich ein Hydrogensulfid (1-) das sich dann zum Sulfid zersetzt(1-) das sich dann zum Sulfid zersetzt

Pb Pb 2+2+ (aq) + 2HS (aq) + 2HS-- (aq) (aq) Pb (SH)2 (s) Pb (SH)2 (s) PbS (s) + H2S (aq) PbS (s) + H2S (aq)

in der Lösung ist die HS- Konzentration erheblich größer als die Sin der Lösung ist die HS- Konzentration erheblich größer als die S 2- 2- KonzentrationKonzentration

es sind bei Fällungen von Hydroxiden und Oxiden ähnliche es sind bei Fällungen von Hydroxiden und Oxiden ähnliche Reaktionsabläufe bekanntReaktionsabläufe bekannt

durch die Unabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten vom durch die Unabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten vom Reaktionsmechanismus gilt das Löslichkeitsprodukt, egal wie der Reaktionsmechanismus gilt das Löslichkeitsprodukt, egal wie der Niederschlag entsteht, solange das System im Gleichgewicht istNiederschlag entsteht, solange das System im Gleichgewicht ist

mit dieser Gleichung kann man die Sulfid-mit dieser Gleichung kann man die Sulfid-Ionenkonzentration in einer gesättigten HIonenkonzentration in einer gesättigten H22S-S-

Lösung in Abhängigkeit vom pH-Wert Lösung in Abhängigkeit vom pH-Wert berechnen:berechnen:

c(s c(s 2-2-) = (1,1 * 10) = (1,1 * 102222)/c² (H)/c² (H++))

mit Hilfe der L-Werte können wir deshalb mit Hilfe der L-Werte können wir deshalb folgende Berechnungen anstellen:folgende Berechnungen anstellen:

Beispiel

In eine Lösung mit pH = 0,5, c(Pb2+) = 0,050 mol/L und c(Fe2+ ) =0,050 mol/L wird H2S-Gas bis zur Sättigung eingeleitet. Fallen PbS und FeS aus?

L (PbS) = 7 * 10-29 mol²/L² L (FeS) = 4 * 10-19 mol²/L²

Nach oben genannter Formel gilt für eine gesättigte H2S-Lösung bei 25°C :

C(S2-) = (1,1 * 10-22) / c²(H+)

Bei pH = 0,5 ist c(H+) = 0,3 mol/L und C(S2-) = (1,1 * 10-22) / 0,3² = 1,2 * 10-21 mol/L

Mit c(M 2+ ) = 0,050 mol/L (M 2+ gleich Pb 2+ oder Fe 2+ ) ist das Ionenprodukt:

C(M2+) * c(S2-) = 0,050 mol/L * 1,2 * 10-21 mol/L = 6,0 * 10-23 mol²/L²

Für PbS ist das Ionenprodukt größer als L, PbS fällt aus. Für FeS ist es jedoch kleiner,FeS fällt nicht aus.

LöslichkeitsprodukteLöslichkeitsprodukte

Die schwerlösliche Verbindung befindet sich Die schwerlösliche Verbindung befindet sich im Gleichgewicht mit Ionen in der Lösung. im Gleichgewicht mit Ionen in der Lösung.

Wenn eine schwerlösliche Verbindung mit Wasser in Kontakt Wenn eine schwerlösliche Verbindung mit Wasser in Kontakt gebracht wird, so stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewicht ein gebracht wird, so stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewicht ein bei dem die Geschwindigkeit der Auflösung und die bei dem die Geschwindigkeit der Auflösung und die Geschwindigkeit der Widerausscheidung gleich groß sind.Geschwindigkeit der Widerausscheidung gleich groß sind.Die Lösung ist dann gesättigt.Die Lösung ist dann gesättigt.

Konstante L = LöslichkeitsproduktKonstante L = Löslichkeitsproduktc = Konzentrationc = KonzentrationK= GleichgewichtskonstanteK= Gleichgewichtskonstante

c(Ag+) * c(Cl-) = K * c(AgCl) = Lc(Ag+) * c(Cl-) = K * c(AgCl) = L

Der Zahlenwert von L ändert sich mit der Temperatur.Der Zahlenwert von L ändert sich mit der Temperatur.

Beispiel:Beispiel:

SilberchloridSilberchlorid

schwerlöslich schwerlöslich

entsteht nicht durch Auflösen von entsteht nicht durch Auflösen von Silber in Chlorwasserstoffsäure in Chlorwasserstoffsäure

bildet sich aus wasserlöslichenbildet sich aus wasserlöslichen Silberverbindungen wie Silbernitrat Silberverbindungen wie Silbernitrat

und Chlorid-Ionen. und Chlorid-Ionen.

QuellenangabeQuellenangabe

Chemie: Das Basiswissen der ChemieChemie: Das Basiswissen der ChemieCharles E. MortimerCharles E. MortimerUlrich MüllerUlrich Müller

http://de.wikipedia.org/wiki/Normalit%C3%A4t

http://www.vitaris.com/CMS/GetFile.aspx?ID=a775e5d0-aab7-484f-a8f3-http://www.vitaris.com/CMS/GetFile.aspx?ID=a775e5d0-aab7-484f-a8f3-c5d5de51abd3&Name=Attachment&Download=Falsec5d5de51abd3&Name=Attachment&Download=False