Stöchiometrie

Die Stöchiometrie (von gr. στοιχειον stoicheion „Grundstoff“ und μέτρον metron „Maß“) ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel in der Chemie. Mit ihrer Hilfe werden aus der qualitativen Kenntnis der Reaktanten 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 Reaktant im Überschuss eingesetzt wird und daher teilweise erhalten bleibt.

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, Reaktant, zu berechnen, die bei einer chemischen Reaktion eingesetzt werden muss. Die Berechnung lässt sich umkehren, so dass man bei Kenntnis der Menge an Reaktant(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 $\nu _{i}$ 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:

Reaktanten 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 (X_i)

Dies ist ein Begriff aus der chemischen Reaktionstechnik und beschreibt, wie viel Reaktant 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 n_i,0

X_{\mathrm {i} }={n_{\mathrm {i,0} }-n_{\mathrm {i} } \over n_{\mathrm {i,0} }}

wobei n_i 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 Reaktants 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.

Literatur

Werner Kullbach: Mengenberechnungen in der Chemie. Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25869-8
Eberhard Aust, Burkhard Bittner: Stöchiometrie - Chemisches Rechnen, CICERO-Verlag, Pegnitz, 4. Auflage, 2011, ISBN 978-3-926292-47-6
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
Eintrag: stoichiometry. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.S06026.

Weblinks

Wikibooks: Anorganische Chemie für Schüler/ Chemisches Rechnen – Lern- und Lehrmaterialien

Wikibooks: Allgemeine und Anorganische Chemie/ Stöchiometrie – Lern- und Lehrmaterialien

Wikibooks: Formelsammlung Chemie/ Stöchiometrie – Lern- und Lehrmaterialien