Elemente und Moleküle, Schulbuch

42 3 DIe CHeMISCHe ReAKtIoN 3.2 CHEMISCHES RECHNEN – StÖCHIOMEtRIE UND GASGESEtZE Molzahl • Molmasse • Konzentration • Satz von Avogadro • Allgemeines Gasgesetz Dem Rechnen kommt in der Chemie große Bedeutung zu. Sehr oft müssen im Labor Lösungen mit einer bestimmten Konzentration hergestellt werden. Zur Verfügung stehen aber nur Feststoffe (zB Salze) oder sehr konzentrierte Lösungen (zB Säuren). Durch Vo- lumsmessung und eine einfache Berechnung kann man auch die unbekannte Konzentration einer Substanz bestimmen. In der Indus- trie ist es oft nötig, Abgasvolumina zu kennen. Auch die Überlegung, welche Gase eine geringere oder größere Dichte als Luft besit- zen, können beim Ablauf einer Reaktion von Bedeutung sein. Benötigt man nur eine bestimmte Menge eines Produktes, setzt man auch die (oft teuren) Rohstoffe nur in der entsprechenden Menge ein. Weiters laufen viele Reaktionen nur im richtigen, der Reakti- onsgleichung entsprechenden Molverhältnis („stöchiometrischen Verhältnis“) mit ausreichender Geschwindigkeit ab. Der Begriff „ Stöchiometrie “ stammt aus dem Griechischen (stoicheia = Element, metron = Maß) und bedeutet „Lehre von den Mengenverhält- nissen bei chemischen Reaktionen“. Stoffmenge – Die Molzahl n Die für den Chemiker wichtigste Größe ist die Molzahl n . (Siehe Kap. 1.2) Die Mol- zahl ist eine sehr anschauliche und praktische Größe: Sie gibt die Stoffmenge an. Jede Reaktionsgleichung gibt das Verhältnis der reagierenden Teilchen wieder. Bei Kenntnis einer Molanzahl eines Reaktionspartners kann man jederzeit mit Hilfe der Reaktionsgleichung auf die Molanzahl der anderen Stoffe schließen. (Siehe neben- stehendes Beispiel – Abb. 42.1) Molare Masse – Die Molmasse M Der Nachteil der Molanzahl ist, dass sie nicht direkt durch Messung zugänglich ist. Daher benötigt man messbare – der Molanzahl proportionale – Größen. Eine der wichtigsten und zugleich leicht bestimmbaren Größen ist die Masse. Die Beziehung zwischen Masse und Molanzahl wurde bereits in Kap. 1 vorgestellt. Bei Berechnungen ist es am einfachsten – auch wenn es in Spezialfällen kürzere Berechnungsmethoden gibt –, ein 3-Schritte-Programm einzuhalten. ■ 42.1: Wie viel Mol Methanol (CH 3 OH) kann man aus 15 mol Wasserstoff und überschüssigem Kohlenstoffmonoxid erzeugen? ■ 42.2: Wie viel Mol Sauerstoff benötigt man für die Verbrennung von 10 mol Butan (C 4 H 10 )? ■ 42.3: Wie viel kg SO 2 entstehen bei der Verbrennung von 10 t Kohle mit ei- nem Schwefelgehalt von 3 %? ■ 42.4: Wie viel kg reines Aluminiumoxid benötigt man zur Herstellung von 1 t Aluminium? ( Al 2 O 3 → 2 Al + 1,5 O 2 ) ■ 42.5: Wie viel g Aluminium benötigt man zur Herstellung von 10 g Wasser- stoff durch Reaktion mit überschüssiger Salzsäure? ( Al + 3 HCl → AlCl 3 + 1,5 H 2 ) ÜBUNGeN 1. Aus einer gegebenen Masse die Molanzahl berechnen: 2. Aus der Reaktionsgleichung auf die Molanzahl des gesuchten Stof- fes schließen: 3. Berechnung der gesuchten Masse aus der neuen Molanzahl: n (gegeben) = m (gegeben) M (gegeben) n (gesucht) = x • n (gegeben) m (gesucht) = M (gesucht) • n (gesucht) Beispiel zum 3-Schritte-Programm: Frage: Wie viel g Eisen(III)-oxid entstehen bei der Verbrennung von 100 g Eisen? 4 Fe + 3 O 2 → 2 Fe 2 O 3 1. n (Fe) = m (Fe) M (Fe) 100 55,8 = 1,79 mol = 3. m (Fe 2 O 3 ) = M (Fe 2 O 3 ) • n (Fe 2 O 3 ) = = 159,6 • 0,895 = 142,84 g Abb. 42.1: Berechnung von Molzahlen einer Reaktion Abb. 42.2: Berechnung des Stoffmassenumsatzes einer Reaktion 3 H 2 + N 2 → 2 NH 3 Das Molverhältnis der an dieser Reaktion beteiligten Stoffe lautet: n (H 2 ) : n (N 2 ) : n (NH 3 ) = 3 : 1 : 2 Angabe: n (H 2 ) = 0,6 mol. Frage: Wieviel mol N 2 werden für eine vollständige Reaktion benötigt? n (N 2 ) = 1/3 n (H 2 ) = 1/3 • 0,6 = 0,2 mol Frage: Wieviel mol NH 3 entstehen in diesem Fall? n (NH 3 ) = 2/3 n (H 2 ) = 2/3 • 0,6 = 0,4 mol Antwort: Bei der Verbrennung von 100 g Eisen entstehen 142,84 g Eisen(III)-oxid. 2. n (Fe 2 O 3 ) n (Fe) 2 4 = n (Fe 2 O 3 ) = 1/2 • n (Fe) = 0,5 • 1,79 = = 0,895 mol ⇒ Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv