Die bei chemischen Reaktionen auftretenden Energieumsätze werden nicht durch stöchiometrische Gesetze erfasst. Sie sind Gegenstand der Thermodynamik.

Transkript

1 Die Stöchiometrie ist die Lehre von der Zusammensetzung chemischer Verbindungen, sowie der Massen-, Volumen- und Ladungsverhältnisse bei chemischen Reaktionen. Die bei chemischen Reaktionen auftretenden Energieumsätze werden nicht durch stöchiometrische Gesetze erfasst. Sie sind Gegenstand der Thermodynamik.

2 Gesetz von der Erhaltung der Masse (A. Lavoisier 1774): Bei allen chemischen Vorgängen bleibt die Gesamtmasse der Reaktionsteilnehmer unverändert. Gesetz der konstanten Proportionen (J. Proust 1799): Das Massenverhältnis zweier sich zu einer chemischen Verbindung vereinigender Elemente ist konstant.

3 Gesetz der multiplen Proportionen (J. Dalton 1808): Die Massenverhältnisse zweier sich zu verschiedenen chemischen Verbindungen vereinigender Elemente stehen im Verhältnis einfacher ganzer Zahlen zueinander.

4 Chemisches Volumengesetz (J. Gay-Lussac 1808): Das Volumenverhältnis gasförmiger, an einer chemischen Umsetzung beteiligter Stoffe, lässt sich bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck durch einfache ganze Zahlen wiedergeben.

5 Avogadrosches Gesetz (1811): Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen (Moleküle*). *molecula (lat.) kleine Masse

6 Die relative Atommasse Experimentelle Befunde bei der Wassersynthese: 2 Liter Wasserstoff + 1 Liter Sauerstoff 1 Liter Wasserdampf 2 H + O H 2 O 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 1g Wasserstoff reagiert mit g Sauerstoff zu Wasser. Ein Sauerstoffatom ist 7.936mal schwerer als zwei Wasserstoffatome. Ein Sauerstoffatom ist mal schwerer als ein Wasserstoffatom. Dalton: relative Atommasse A r (H) 1 A r (O)

7 bezogen auf H 1 bezogen auf O 16 bezogen auf 12 C 12 IUPAC 1961 Dalton 1810 Stas 1865 Wasserstoff Chlor Sauerstoff Stickstoff Kohlenstoff Heutige Bezugsbasis der relativen Atommassen: Das Kohlenstoffisotop 12 C (natürliche Häufigkeit %) hat die relative Atommasse 12.

8 Das Mol ist als Stoffmenge definiert, die aus genau so vielen Teilchen besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffisotops 12 C enthalten sind. Die zugehörige Zahl ist die Avogadro-Zahl N A (Loschmidt-Zahl). N A mol -1 Stoffmenge n(x): n(x) m(x) M(x) M(x) - Molmasse

9 Bestimmung der Avogadro-Konstante: Zur elektrolytischen Abscheidung von 0.12 g Kupfer aus CuSO 4 - Lösung muss ein Strom von I 0.4 A innerhalb eines Zeitraums von t 900 s fliessen. M (Cu) 63.5 g mol -1 e C As (Ladung eines Elektrons) Cu e - Cu Q I t 0.4A 900s 360As

10 360As Anzahl( e ) As Abgeschiedene Stoffmenge Kupfer: n( Cu) m( Cu) M ( Cu) 0.12g 63.5g mol mol Stoffmenge der benötigten Elektronen:

11 mol mol Cu n e n ) ( 2 ) ( Elektronen mol e n ) ( Elektronen Elektronen mol

12 Berechnung der prozentualen Zusammensetzung einer Verbindung: wx ( ) mx ( ) nx ( ) M( x) m( ges.) n( ges.) M ( ges.) Ermittlung chemischer Formeln: ma ( ) mb ( ) mc ( ) na ( ): nb ( ): nc ( ) : : M ( A) M( B) M( C)

13 Stoffmengenanteil x i (Molenbruch, engl. mole fraction) i i i i n n x Für ein binäres Gemisch aus den Stoffen A und B gilt: B A A A n n n x + B A B B n n n x B A x x

14 Massenanteil w i (Massenbruch, Masse-%) i i i i m m w Für ein binäres Gemisch aus den Stoffen A und B gilt: B A A A m m m w + B A B B m m m w B A w w

15 Volumenanteil ϕ (Volumenbruch, Vol.-%) ϕ i V V i ges ϕ A V V A ges ϕ B V V B ges Nur für ideale Mischungen gilt: ϕ i Vi V i i ϕ A + ϕ B 1

16 Stoffmengenkonzentration c (Molarität) c n V Lsg. Verdünnungsgleichung n c V c V n 2

17 Notation der chemischen Gleichung Reaktanden Produkte Reaktanden Produkte (Gleichgewicht) Reaktanden Produkte (Stöchiometrie)

18 Links und rechts Schreibweise: ν A A + ν B B ν Ed Ed ν Pr Pr ν M M + ν N N Alle stöchiometrischen Koeffizienten sind positiv. Einseitige Schreibweise: 0 ν A A + ν B B ν Ed Ed + ν Pr Pr ν M M + ν N N Stöchiometrische Koeffizienten der Produkte sind positiv: ν Pr > 0 Stöchiometrische Koeffizienten der Edukte sind negativ: ν Ed < 0

19 Summendarstellung der Reaktionsgleichung: N J JA J 0 J: Reaktionsteilnehmer (von A bis N) ν J : Stöchiometrischer Koeffizient des Reaktionsteilnehmers J

20 Elementerhaltungssatz: N J JA E(J) 0 J: Reaktionsteilnehmer (von A bis N) ν J : Stöchiometrischer Koeffizient des Reaktionsteilnehmers J E(J): Element E in der Spezies J i E(J) : Stöchiometrischer Index des Elementes E in der Spezies J

21 Ladungserhaltungssatz: N J JA J 0 z J : Ladungszahl der Spezies J

22 Beispiel Ammoniaksynthese: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Links und rechts Schreibweise: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) N 1; H 3; NH +2 Einseitige Schreibweise: N 2 (g) 3 H 2 (g) + 2 NH 3 (g) 0

23 Elementerhaltung: N J JA E(J) 0 H: ( 3) (2) + (+2) (3) 0 N: ( 1) (2) + (+2) (1) 0 Ladungserhaltung: N J JA J 0 ( 1) (0) + ( 3) (0) + (+2) (0) 0

24 Addition von Reaktionsgleichungen: Stöchiometrische Gleichungen können wie algebraische Gleichungen addiert oder subtrahiert werden. Beispiel: Schwefelsäureherstellung aus SO 2 V 2 O 4 + ½ O 2 V 2 O 5 SO 2 + V 2 O 5 SO 3 + V 2 O 4 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 SO 2 + H 2 O + ½ O 2 H 2 SO 4

25 Reaktionslaufzahl ξ: Die Reaktionslaufzahl (oder der Reaktionsfortschritt) ist eine Angabe über den momentanen Standort einer Reaktion bezüglich der Stoffmengen eines jeden Reaktionsteilnehmers. Das Symbol ist ξ (sprich: Xi), die Einheit ist Mol. A + 2 B 3 C oder: A 2 B + 3 C 0 Es gilt: A B C A A B C 1 B 2 C +3

26 Allgemein gilt: A A B B N N J J Für infinitesimale Stoffmengenänderungen dn erhalten wir die Definitionsgleichung des Reaktionsfortschritts: dξ d A A d B B d N N d J J dn B : infinitesimale Stoffmengenänderungen von B dξ : infinitesimaler Reaktionsfortschritt

27 Betrachtung für die Spezies B: d B B dξ B (ξ) B ( ) d B ξ B dξ B (ξ) B (0) B (ξ 0) B (ξ) B (0)+ B ξ

28 ξ 0 ξ > 0 ξ < 0 Reaktionsbeginn, die Stoffmengen aller Reaktionsteilnehmer sind bekannt. Vorwärtsreaktion, Reaktion läuft in Richtung zunehmender Produktstoffmengen ( nach rechts ). Rückwärtsreaktion, Reaktion läuft in Richtung zunehmender Eduktstoffmengen ( nach links ). ξ ξ max Reaktion ist vollständig nach rechts abgelaufen, mindestens eines der Edukte ist aufgebraucht. ξ ξ min Reaktion ist vollständig nach links abgelaufen, mindestens eines der Produkte ist aufgebraucht.

29 Beispiel Ammoniaksynthese: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) N 1; H 3; NH +2 H (ξ) H (0) 3ξ N (ξ) N (0) ξ NH (ξ) NH (0)+2ξ

30 Reaktionslaufzahl ξ N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) n B /mol 10 n total H 2 5 N 2 NH mol min max Umsetzung von 2 mol N 2 mit 6 mol H 2 Umsetzung von 2 mol N 2 mit 8 mol H 2 ξ min 0 Begrenzender Reaktand: N 2 ξ min 0

31 Umsetzung von 2 mol N 2 mit 5 mol H 2 Umsetzung von 2 mol N 2 mit 6 mol H 2 und 1 mol NH 3 Begrenzender Reaktand: H 2 ξ min 0 ξ min -0.5 mol

32 Landoltreaktion unter Zusatz von Quecksilber(II)-chlorid

33 Oxidationsstufen des Vanadiums