Stöchiometrie, Produktausbeute und begrenzende Reagenzien

Bei chemischen Reaktionen werden Atome – die Bausteine der Reaktanten – neu angeordnet, um neue Einheiten zu bilden, die als Produkte bezeichnet werden. Das Gesetz der Massenerhaltung besagt, dass Materie weder erschaffen noch zerstört werden kann. Bei einer chemischen Reaktion in einem isolierten System bleibt die Masse also konstant.

Die Anzahl der Atome auf der Reaktantenseite ist gleich der auf der Produktseite, und wir sehen, dass die Gleichung ausgeglichen ist. Diese Beziehung zwischen Reaktant und Produktmenge wird als Stöchiometrie bezeichnet.

Üben wir nun, eine chemische Gleichung auszugleichen. Hier sind die Koeffizienten für Kohlendioxid und Stickstoffdioxid, um Ihnen den Einstieg zu erleichtern. Zählen wir zunächst die Anzahl der Atome auf jeder Seite. Achten Sie sowohl auf den Koeffizienten, der angibt, wie viele Moleküle in der Gleichung enthalten sind, als auch auf den tiefgestellten, der uns angibt, wie viele Atome sich in einem Molekül befinden.

Multiplizieren Sie dann den Koeffizienten und die tiefgestellten Werte für jedes Atom. Wiederholen Sie den Vorgang für alle Elemente. Wenn ein Element in mehreren Molekülen vorkommt, addieren Sie einfach die Anzahl der Atome in jedem Molekül. Sobald dies für alle Elemente abgeschlossen ist, überprüfen Sie, ob die Reaktion ausgeglichen ist.

In ihrem aktuellen Zustand ist die Gleichung nicht ausgeglichen. Wir sehen, dass es auf der Reaktantenseite einen Stickstoff gibt, auf der Produktseite jedoch vier. Um Stickstoff auszugleichen, brauchen wir vier Reaktantenmoleküle, also multiplizieren wir alle seine Elemente mit vier. Dadurch wird auch der Kohlenstoff ausgeglichen. Auf der Produktseite befinden sich zwei Wasserstoffatome. Somit werden wir 14 H2O-Produkte herstellen. Das macht 38 Sauerstoffatome auf der Produktseite, was auf der Reaktantenseite 19 Sauerstoffmoleküle erfordert. Schließlich ist die Gleichung ausgeglichen.

Das Verhältnis zwischen den Koeffizienten stellt das Verhältnis zwischen den molaren Mengen dar. In dieser Gleichung reagiert ein Molekül Methan mit zwei Molekülen Sauerstoff zu einem Molekül Kohlendioxid und zwei Molekülen Wasser. Die Reaktion stoppt, wenn ein Reaktant vollständig verbraucht ist, wodurch die Menge des Produkts, das hergestellt werden kann, begrenzt wird. Dieser Reaktant wird als limitierender Reaktant bezeichnet.

Die maximal mögliche Produktmenge, die als theoretische Ausbeute bezeichnet wird, hängt von der Menge des Grenzreaktanten ab. Die tatsächliche Produktausbeute kann jedoch aufgrund von Nebenreaktionen, Verlusten bei Reinigungsschritten oder menschlichem Versagen abweichen. Die prozentuale Ausbeute gibt an, wie viel Prozent der theoretischen Ausbeute erzielt wurde und wird mit dieser Gleichung bestimmt.

In diesem Labor werden Sie Nickelchlorid-Hexahydrat mit Ethylendiamin reagieren, um einen Nickel-Koordinationskomplex zu synthetisieren. Dann messen Sie die produzierte Menge, bestimmen den begrenzenden Reaktanten der Reaktion und berechnen die prozentuale Ausbeute des Produkts.