Reaktionsstöchiometrie

Betrachten wir eine ausgeglichene chemische Reaktion, wie z. B.die Verbrennung von Wasserstoffgas. Hier besteht die quantitative Beziehung zwischen den Reaktanten und Produkten H2, O2 und H2O darin, dass 2 Moleküle H2 mit 1 Molekül O2 reagieren, um 2 Moleküle H2O zu erzeugen.

Diese quantitative Beziehung ist als Stöchiometrie bekannt, und es ist jedem Rezept ähnlich. Angenommen, 2 Scheiben Salami, 1 Scheibe Käse, und 2 Stück italienisches Brot werden zur Herstellung von 1 Schnitte verwendet. Um drei Schnitten herzustellen, werden die Mengen der Zutaten einfach verdreifacht.

Wie viele Schnitten könnten mit 10 Salamischeiben gemacht werden? Da das Verhältnis von Salami zu Schnitte bei zwei zu eins liegt, konnten 5 Schnitten hergestellt werden. Das gleiche Verfahren wird bei chemischen Reaktionen angewandt.

Betrachten wir zum Beispiel die Synthese von Ammoniak. Die stöchiometrischen Koeffizienten geben direkt die relative Anzahl der Moleküle an, die den relativen Mengen in Mol entspricht. Ein Mol Stickstoffgas und drei Mol Wasserstoffgas reagieren unter Bildung von zwei Mol Ammoniak.

Um vier Mol Ammoniak herzustellen, werden die Reaktantenmengen verdoppelt. Das Molverhältnis von Stickstoffgas zu Ammoniak beträgt eins zu zwei, während die von Wasserstoffgas zu Ammoniak drei bis zwei beträgt. Wenn es 15 Mol Wasserstoff gibt, wie viele Mol Ammoniak können dann synthetisiert werden?

Mit dem Molverhältnis als Umrechnungsfaktor können 10 Mol Ammoniak synthetisiert werden. Um die Masse eines Reaktanten aus der Masse des Produkts oder umgekehrt abzuschätzen, wird ein Pfad verfolgt. Im Gegensatz zu Molumwandlungen sind Berechnungen mit Masse nicht direkt.

Zunächst wird die bekannte Masse in Mol umgerechnet. Dann wird das Molverhältnis angewendet. Zuletzt wird die Menge in Mol anhand der Molmasse der betreffenden Verbindung in Masse umgerechnet.

Betrachten Sie zum Beispiel die Verbrennung eines auf Kohlenwasserstoff basierenden Raketentreibstoffes, d.h. seiner Reaktion mit Sauerstoff. Wie viel Gramm flüssiger Sauerstoff sind ungefähr für je 5.000 Gramm Brennstoff erforderlich?

Zunächst wird die ungefähre Molmasse des Brennstoffs verwendet, um 5.000 Gramm in Mol umzuwandeln. Dann wird das Molverhältnis von 35 zu 2 angewandt, um die benötigte Menge an Mol des molekularen Sauerstoffs zu berechnen. Schließlich wird die Molmasse des molekularen Sauerstoffs verwendet, um zu bestimmen, dass das Raumfahrzeug für je 5.000 Gramm Treibstoff etwa 17.000 Gramm Sauerstoff an Bord speichern muss.