Stöchiometrie, Produktausbeute und Grenzreaktanten

Chemische Gleichungen stellen dar, wie eine chemische Reaktion von Reaktanten zu Produkten durch physikalische oder chemische Veränderung unter Verwendung chemischer Formeln abläuft.

Die Stöchiometrie ist ein Begriff, der die relativen Mengen von Reaktanten und Produkten in einer chemischen Reaktion beschreibt. Es basiert auf dem Gesetz der Massenerhaltung, einem Grundgesetz, das besagt, dass Materie weder erschaffen noch zerstört wird. Ganz einfach: Die Anzahl und Identität der Reaktantenatome muss der Anzahl und Identität der Produktatome entsprechen. Reaktionen ordnen Atome neu an, erzeugen oder zerstören sie aber nicht. Dies erfordert, dass eine vorgeschlagene Reaktion ausgewogen sein muss, was bedeutet, dass die Anzahl der Atome für jedes Element auf der Reaktanten- und Produktseite gleich ist.

In der folgenden chemischen Gleichung enthält die linke Seite (die Reaktanten) beispielsweise ein Kupferatom, ein Wasserstoffatom, ein Stickstoffatom und drei Sauerstoffatome.

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + NO

Beachten Sie, dass dem Wasserprodukt auf der rechten Seite eine Nummer vorangestellt ist. Dies ist ein Koeffizient und stellt die Anzahl der Moleküle in der Reaktion dar. Anhand dieser Informationen können wir die Anzahl der Atome auf der Produktseite zählen. Es gibt ein Kupferatom und acht Wasserstoffatome (4 x 2). Die Zählung der Stickstoff- und Sauerstoffatome erfordert etwas mehr Mathematik. Im ersten Produkt befinden sich zwei Stickstoffatome und im dritten Produkt ein Stickstoffatom, was insgesamt drei Stickstoffatome ergibt. Für Sauerstoff gibt es sechs Sauerstoffatome im ersten Produkt, vier Sauerstoffatome im zweiten Produkt und ein Sauerstoffatom im dritten Produkt, also insgesamt 11 Sauerstoffatome.

In dieser Form wäre die Reaktion nicht durchführbar, weil sie dem Gesetz der Massenerhaltung widerspricht. Auf der Produktseite befinden sich mehr Wasserstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffatome. Daher muss die Gleichung ausgewogen sein.

Das Ausbalancieren einer Gleichung ist ein iterativer Prozess, bei dem auf jeder Seite Koeffizienten addiert werden müssen, bis die Zahlen gleich sind. Es gibt mehrere Ansätze, um eine chemische Gleichung auszugleichen. Ein Ansatz verwendet eine Tabelle, um die Zahlen zu visualisieren, und ein wenig Versuch und Irrtum.

Da es auf der Reaktantenseite nur ein Wasserstoffatom, auf der Produktseite aber acht Wasserstoffatome gibt, würde die Multiplikation der Verbindung, die den Stickstoff auf der Reaktantenseite enthält, mit acht den Wasserstoff ausgleichen. Die zweite Zeile in der neuen Tabelle spiegelt diese Änderung der Anzahl der Atome wider.

Um die Anzahl der Stickstoffe auf der Produktseite zu erhöhen, würde die Multiplikation des Produkts Cu(NO₃)₂ mit drei die Anzahl der Stickstoffatome von drei auf sieben erhöhen. Die Anzahl der Stickstoffatome ist noch nicht ausgeglichen, aber es gibt immer noch Koeffizienten für einen Reaktanten und ein Produkt, die berücksichtigt werden müssen.

Wenn zwei NO-Moleküle produziert werden, fügt dies der Produktseite ein weiteres Stickstoffatom und ein weiteres Sauerstoffatom hinzu, wodurch diese beiden Spezies mit der Reaktantenseite ausgeglichen werden.

Das einzige Atom, das jetzt noch unausgeglichen ist, ist Kupfer. Wenn man die Anzahl auf der Reaktantenseite auf drei Kupferatome erhöht, wird die Gleichung ausgeglichen.

Die ausgeglichene Gleichung wird wie folgt geschrieben:

3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 NO

Das Ausbalancieren der Gleichung ist auch für die Bestimmung des Grenzreaktanten unerlässlich, da der Koeffizient der Verbindungen verwendet wird, um zu berechnen, wie viel Produkt von jedem Reaktanten produziert wird (Produktausbeute). Von dieser Menge wird der Reaktant, der die geringste Produktmenge produziert, als limitierender Reaktant betrachtet - der bei der Reaktion vollständig verbraucht wird und daher die Gesamtmenge des erzeugten Produkts begrenzt. Diese berechnete Menge stellt auch die theoretische Ausbeute der Reaktion dar, die zur Berechnung der prozentualen Ausbeute benötigt wird.

Die ausgeglichene Gleichung ist mehr als eine einfache Abrechnung von Atomen. Die Koeffizienten beschreiben die molare Beziehung zwischen Produkten und Reaktanten, d.h. wie viel Produkt von jedem Reaktanten produziert wird. Die Anzahl der Mole des Reaktanten wird verwendet, um die Anzahl der Mole eines anderen Produkts oder Reaktanten zu berechnen. Der Reaktant, der die geringste Produktmenge produziert, gilt als limitierender Reaktant.

Der limitierende Reaktant wird in der Reaktion vollständig verbraucht und begrenzt somit die Gesamtmenge des erzeugten Produkts. Sobald der begrenzende Reaktant vollständig verbraucht ist, bildet sich kein Produkt mehr. Die mögliche Produktmenge, die auf der Grundlage des Grenzreaktanten gebildet werden könnte, ist die theoretische Ausbeute der Reaktion.

Die tatsächliche Ausbeute wird mit der theoretischen Ausbeute verglichen, woraus sich die "prozentuale Ausbeute" ergibt. Eine prozentuale Ausbeute von 100 % bedeutet, dass auf Basis der verwendeten Reaktanten die maximal mögliche Menge an Produkt hergestellt wurde. Prozentuale Ausbeuten von weniger als 100 % sind üblich und deuten darauf hin, dass es während der Reaktion zu einem gewissen Produktverlust kam. Die prozentuale Ausbeute ist nie größer als die theoretische Ausbeute. Ist dies der Fall, sind Versuchs- oder Rechenfehler aufgetreten.