Beim Backen eines Kuchens ist es wichtig, die Mengenverhältnisse im Rezept einzuhalten (Abb. 1). Möchtest du einen kleineren Kuchen, als im Rezept angegeben, backen, kannst du mithilfe der Mengenverhältnisse ausrechnen, wie viel du von den Zutaten für weniger Teig benötigst.
Wenn du ein Experiment durchführen möchtest, verwendest du ebenfalls verschiedene Stoffe in einem bestimmten Mengenverhältnis. Du kannst sogar schon vorab verschiedene Werte berechnen, ohne sie im Experiment messen zu müssen. Genau damit beschäftigst du dich in der Stöchiometrie.
In der Stöchiometrie rechnen wir mit Größen
Der Begriff Stöchiometrie bedeutet Grundstoff und Maß. Stöchiometrie wird vereinfacht auch als ‘chemisches Rechnen’ bezeichnet. Mit ihrer Hilfe kannst du beispielsweise genauer berechnen, welche Mengen an Edukten du einsetzen musst, wie du Lösungen mit genauen Konzentrationen ansetzt oder wie du das Volumen von Gasen bestimmen kannst.
In der Stöchiometrie befasst du dich mit quantitativen Fragen:
- Wie viel Menge eines Eduktes muss eingesetzt werden, um eine bestimmte Menge eines Produktes zu erhalten?
- Wie muss das Verhältnis der Menge der Edukte sein, damit die Edukte in der chemischen Reaktion vollständig umgesetzt werden?
- Wie hängt das Zahlenverhältnis der miteinander reagierenden Teilchen einer chemischen Reaktion mit der eingesetzten Stoffportion zusammen?
Die Größen der Stöchiometrie
Um diesen Zusammenhang zwischen der eingesetzten Menge und der Anzahl der reagierenden Teilchen herauszufinden, brauchst du Informationen über die Größen in der Tabelle von Abbildung 2.
| Größe | Formelzeichen | Einheit | Einheitenzeichen |
|---|---|---|---|
| Masse | \({m}\) | Gramm | \(\mathrm{g}\) |
| Stoffmenge | \({n}\) | Mol | \(\mathrm{mol}\) |
| Molare Masse | \({M}\) | Gramm pro Mol | \(\rm{\dfrac{g}{mol}}\) |
| Dichte |
\( \ce{\rho}\) (Rho) |
Kilogramm pro Kubikmeter | \(\rm{\dfrac{kg}{{m}^{3}}}\) |
| Volumen | \({V}\) | Kubikmeter | \(\rm{m^3}\) |
| Molares Volumen | \({V_{\rm m}}\) | Kubikmeter pro Mol | \(\rm{\dfrac{{m}^{3}}{mol}}\) |
| Stoffmengenkonzentration | \({c}\) | Mol pro Liter | \(\rm{\dfrac{mol}{{L}}}\) |
| pH-Wert | \(\rm{pH}\) | - | \(-\lg\,{[c\,(\ce{H3O+})]}\) |
Unstöchiometrische Versuchsvorschriften mit groben Mengenangaben
Häufig werden im Chemieunterricht Experimente durchgeführt, bei denen man nur mit ungefähren Mengen arbeitet. So finden wir unstöchiometrische Versuchsvorschriften zur chemischen Reaktion von Kupfer und Schwefel zu Kupfersulfid, in denen wir nur grob geschätzte Mengen wie einen Spatel-Löffel Schwefel mit einem Spatel Kupferpulver reagieren lassen.
Unstöchiometrisch bedeutet, dass die eingesetzte Menge an Schwefel nicht vollständig mit dem eingesetzten Kupferpulver reagiert, was wir anhand des gelb-braunen Rückstandes im Reagenzglas nach der Reaktion erkennen können (Abb. 3).
Mithilfe der Stöchiometrie kannst du Versuchsvorschriften optimieren und Reaktionen erklären. Das optimale Massenverhältnis von Kupfer und Schwefel ist \(\ce{\frac{Kupfer}{Schwefel}\,=\;3,94}\). Nimmst du also von Kupfer viermal so viel Masse wie von Schwefel, bleiben die wenigsten Ausgangsstoffe übrig.
Zusammenfassung
Die Stöchiometrie ist ein mathematisches Hilfsmittel, um fehlende Größen zu berechnen oder Reaktionsgleichungen aufzustellen und auszugleichen.