Stöchiometrie


Stöchiometrie

Die Stöchiometrie (von gr. στοιχειον, „Grundstoff“ und μετρειν, „messen“) ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie. Mit ihrer Hilfe werden aus der qualitativen Kenntnis der Edukte und Produkte einer Reaktion die tatsächlichen Mengenverhältnisse (Reaktionsgleichung) und Stoffmengen berechnet. In der chemischen Umgangssprache bezeichnet Stöchiometrie nicht die (meist triviale) Berechnung, sondern deren Ergebnis. Die praktische Durchführung einer Reaktion erfolgt häufig „unstöchiometrisch“, das heißt, dass mindestens ein Edukt im Überschuss eingesetzt wird und daher teilweise erhalten bleibt.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Die Berechnungsgrundlagen der modernen Stöchiometrie basieren (auch historisch betrachtet) auf folgenden Gesetzen:

Die Gesetze der Stöchiometrie leiten sich also aus dem Wissen über den Aufbau der Materie aus Atomen und Molekülen her.

Begriffe

Stöchiometrische Bilanz

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.

Um jede beliebige Reaktion bilanzieren zu können, wird zu einer allgemeineren Symbolschreibweise übergegangen. Für eine einfache chemische Reaktion lautet sie beispielsweise:

 \left| \nu_1 \right| A_1 + \left| \nu_2 \right| A_2 = \left| \nu_3 \right| A_3 + \left| \nu_4 \right| A_4
  • wobei νi die stöchiometrischen Verhältniszahlen (auch stöchiometrische Koeffizienten genannt) sind; in der deutschen Norm DIN 32642 "Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen" wird hierfür die Benennung "stöchiometrische Zahl" empfohlen.

Da sich für eine Reaktion unterschiedliche Reaktionsgleichungen aufstellen lassen

\mathrm{\ CO + \tfrac {1}{2} \ O_2 \longrightarrow \ CO_2}   oder   \mathrm{\ 2 \ CO + \ O_2 \longrightarrow \ 2 \ CO_2},

müssen vor der Bilanzierung die stöchiometrischen Verhältniszahlen festgelegt werden. Dabei gilt:

  • Edukte bekommen immer eine negative stöchiometrische Verhältniszahl
  • Produkte eine positive stöchiometrische Verhältniszahl
  • und Begleitstoffe (Stoffe, die nicht an der Reaktion teilnehmen) bekommen eine stöchiometrische Verhältniszahl von 0

Bei der Reaktion verändern sich die Mengenanteile (genauer der Stoffmengenanteil (n)) der Reaktanten in dem Maße, wie die stöchiometrischen Verhältniszahlen es vorgeben. Die stöchiometrische Bilanz für die Reaktanten i und k ergibt sich als:

{n_{i,0} - n_i \over -\nu_i} = {n_{k,0} - n_k \over -\nu_k}

Durch einfache Umformung erhält man für den Satzbetrieb

{n_{i,0} - n_i \over n_{k,0} - n_k} = {\nu_i \over \nu_k}

und entsprechend für den Fließbetrieb

{\dot n_{i,0} - \dot n_i \over \dot n_{k,0} - \dot n_k} = {\nu_i \over \nu_k}

Umsatz (Xi)

Dies ist ein Begriff aus der chemischen Reaktionstechnik und beschreibt, wie viel Edukt bei einer Reaktion reagiert. Mit dem Umsatz(grad) wird angegeben, welcher Anteil eines Ausgangsstoffes beim Verlassen des Reaktors in andere chemische Stoffe durch chemische Reaktion umgewandelt wurde. Etwas mathematischer ausgedrückt: Der Umsatz ist der Anteil der umgesetzten Menge einer Komponente i bezogen auf die eingesetzte Menge ni,0

 X_\mathrm{i} ={ n_\mathrm{i,0} - n_\mathrm{i} \over n_\mathrm{i,0} }
  • wobei ni die noch vorhandene Menge der Komponente i ist

Sind mehrere Ausgangsstoffe beteiligt, so wird der Umsatzgrad per Konvention für denjenigen Stoff angegeben, der limitierend ist bzw. im Unterschuss vorliegt.

Ausbeute

Die Ausbeute ist ein Begriff aus der chemischen Reaktionstechnik. Die Ausbeute ist die Menge eines Produktes P bezogen auf die Leitkomponente (k). Die Leitkomponente ist per Konvention derjenige Stoff, der in einer geringeren Menge vorliegt als es der Stöchiometrie der Reaktion entspricht.

Für einen Satzbetrieb gilt:
 Y_P = {n_P - n_{P,0} \over n_{k,0}} \cdot {\left| v_k \right| \over v_P}
Für einen Durchflussbetrieb gilt entsprechend:
 Y_P = {\dot n_P - \dot n_{P,0} \over \dot n_{k,0}} \cdot {\left| v_k \right| \over v_P}

Selektivität

Selektivität ist ein Begriff aus der chemischen Reaktionstechnik. Die Selektivität einer chemischen Umsetzung oder eines Reaktors gibt an, welcher Anteil des insgesamt umgesetzten Ausgangsproduktes unter Berücksichtigung der Stöchiometrie in das gewünschte Zielprodukt umgesetzt wurde. In der Regel setzen sich nicht alle Moleküle zu dem gewünschten Produkt um, da durch Folge oder Konkurrenzreaktionen andere Produkte entstehen können.

 S_p = {\mathrm{gebildete\;Menge}\,(k) \over \mathrm{umgesetzte\;Menge}\,(i)} = {(n_p - n_{p,0}) \cdot \left|v_k \right| \over (n_{k,0} - n_k) \cdot v_p} = {Y_p \over X_i}

Umsatz, Ausbeute und Selektivität

Kombiniert man die Definitionen für Umsatz, Ausbeute und Selektivität miteinander, erhält man einen einfachen Zusammenhang der drei Größen:

 Y_P = X_i \cdot S_P

Das bedeutet, dass wenn es nur eine mögliche Reaktion gibt, ist S=1 und die Ausbeute Y gleich dem Umsatz X.

Literaturangaben

  • Werner Kullbach: Mengenberechnungen in der Chemie. Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25869-8
  • Uwe Hillebrand: Stöchiometrie, Eine Einführung in die Grundlagen mit Beispielen und Übungsaufgaben, 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-00459-9

Weblinks

Wikibooks Wikibooks: Formelsammlung Chemie/ Stöchiometrie – Lern- und Lehrmaterialien

Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Stöchiometrie — (v. gr., Messung der Bestandtheile), die Lehre von den Gesetzen u. Zahlenverhältnissen, nach denen sich chemische Verbindungen aus ihren Bestandtheilen zusammensetzen I. Allgemeine Lehrsätze der S.: a) Gesetz der bestimmten Proportionen: Zwei… …   Pierer's Universal-Lexikon

  • Stöchiometrie — (vom griechischen στοιχεĩον, stoicheion, der Bestandteil), derjenige Teil der Chemie, welcher sich mit den Gewichtsverhältnissen der chemischen Umsetzungen befaßt. Ihr Grundsatz… …   Lexikon der gesamten Technik

  • Stöchiometrie — (griech.), chemische Meßkunst, die Lehre von den Gewichts und Raumverhältnissen, nach denen sich ungleichartige Körper zu neuen Körpern chemisch verbinden, und die Anwendung derselben zu chemischen Berechnungen. Bei der S. kommen in Betracht die… …   Meyers Großes Konversations-Lexikon

  • Stöchiometrie — Stöchiometrīe (grch.), chem. Meßkunde, der Teil der allgemeinen Chemie, der die Gesetze über die Gewichts und Volumverhältnisse umfaßt, die die Zusammensetzung und die Reaktionen chem. Körper regeln. Grundgesetze: 1) das Gesamtgewicht der… …   Kleines Konversations-Lexikon

  • Stöchiometrie — Stö|chio|me|trie auch: Stö|chio|met|rie 〈[ çi ] f. 19; unz.〉 Lehre von der Zusammensetzung u. den Gewichtsverhältnissen chem. Verbindungen [<grch. stoichos, stichos „Abteilung, Ordnung“ + metron „Maß“] * * * Stö|chi|o|me|t|rie [griech.… …   Universal-Lexikon

  • Stöchiometrie — stechiometrija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. stoichiometry vok. Stöchiometrie, f rus. стехиометрия, f pranc. stœchiométrie, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Stochiométrie — Stœchiométrie Voir « stœchiométrie » sur le Wiktionnaire …   Wikipédia en Français

  • Stöchiometrie — Stö|chi|o|me|trie auch: Stö|chi|o|met|rie 〈[ çio ] f.; Gen.: ; Pl.: unz.; Chemie〉 Arbeitsgebiet der Chemie, das sich mit der quantitativen rechnerischen Behandlung chemischer Vorgänge befasst [Etym.: <grch. stoichos, stichos »Abteilung,… …   Lexikalische Deutsches Wörterbuch

  • Stöchiometrie — Stö|chi|o|me|trie* [st..., ʃt...] die; <zu gr. stoicheĩon, Plur. stoicheĩa »Anfänge der Wissenschaften, Grundstoffe« u. ↑...metrie> Lehre von der mengenmäßigen Zusammensetzung chem. Verbindungen u. der math. Berechnung chem. Umsetzungen …   Das große Fremdwörterbuch

  • Stöchometrie — 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… …   Deutsch Wikipedia


Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.