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1.2 Stoffumsatz

1.2.1 Grundgesetze chemischer Reaktionen                                     

a) Gesetz von der Erhaltung der Masse                                                             

V1: Reaktion von Kupfer

mit Schwefel im Reagenzglas

 

 

Aufgabe: Wiegen Sie vor und nach der Reaktion die Gesamtmasse des Reagenzglases mit den beteiligten Stoffen. Ändert sich die Masse?

Beobachtung 1: ...............................................................................................................................

Reaktionsgleichung:

Beobachtung 2: Die Masse der Endstoffe ist .......................................................... wie die Masse der Ausgangsstoffe.

Ausgangsstoffe = ................................................, Endstoffe = ............................................

 

Erklärung des Befunds mit der Daltonschen Atomhypothese (1808): alle Elemente bestehen aus kleinsten, chemisch nicht weiter zerlegbaren Teilchen, den Atomen (von griechisch atomos = unteilbar). Alle Atome eines Elementes A haben gleiche Masse. Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich aber in der Masse.

Aufgabe: welche Atommasse haben S- und Cu-Atome?

 

 

Seit Dalton gilt: treten Elemente zu einer Verbindung zusammen, gibt es keine Umwandlung von Materie (wie die Alchimisten glaubten), sondern nur

...................................................................................................................................................... .

Erklärung mit dem Kalottenmodell:

 

 

 

 

 

 

b) Gesetz der konstanten Proportionen (Proust 1799)


Kupfer und Schwefel reagieren zu Kupfersulfid

 

Versuch 1:

 

               1,0 g Cu + 1,0 g S --> 1,25 g Kupfersulfid Rest: 0,75 g S

Versuch 2:

 

1,0 g Cu + 2,0 g S --> 1,25 g Kupfersulfid Rest: 1,75 g S

Frage: in welchem Massenverhältnis kommen Cu und S bei den Versuchen in den Produkten vor?

....................................................................................................................................................

allgemein:





Große Bedeutung hat dieses Gesetzes bei der Vorausberechnung der optimalen Eduktmengen bei der Darstellung chemischer Produkte.

Beispiel: die BASF bekommt den Auftrag, 125 Tonnen Kupfersulfid zu produzieren. Welche Mengen an Edukten sind einzusetzen, um keine Rohstoffe zu vergeuden?

 

  1. Quantitative Beziehungen bei Gasen

Die Beobachtungen von Gay-Lussac und Humboldt (1808): Die Volumina der an einer Reaktion beteiligten Gase stehen immer im Verhältnis einfacher ganzer Zahlen zueinander.

Beispiel Wassersynthese:

2 Volumina Wasserstoff + 1 Volumen Sauerstoff --> 2 Volumina Wasserdampf

 

Daraus leitete Avogadro 1811 den Satz des Avogadro ab (heute Avogadrosches Gesetz):

Avogadro erkannte dabei auch, daß alle gasförmigen Elemente –außer den Edelgasen- immer zweiatomige Moleküle sind.

Fragen: Wieso nehmen verschieden schwere gasförmige Atome oder Moleküle das gleiche Volumen ein (Tipp: Brownsche Molekularbewegung)?

Wie muß das Molekül Ammoniak aussehen, wenn 3 l Wasserstoff mit 1 l Stickstoff zu 2 l Ammoniak reagiert?

1.2.2 Formeln von Verbindungen

Vorbemerkung: Materie kann aus 3 Teilchenarten bestehen:

elektr. neutrale Atome

elektr. geladene Atome = Ionen 
(Verbindung Metall - Nichtmetall)

Moleküle (Verbindung zweier oder mehrerer Nichtmetalle)

z. B. Eisen, Kupfer

z.B. Kochsalz, Kupfersulfid

z.B. Sauerstoff, Wasser

Metalle

salzartige Stoffe

flüchtige Stoffe (gasförmig oder flüssig, sehr große Moleküle fest)

A) Verhältnisformeln benutzt man zur Charakterisierung von Ionen und kleinen Molekülen

  1. Ionen (elektr. geladene Atome)
    Bsp.: NaCl -> die Verbindung Kochsalz besteht aus den geladenen Atomen Natrium und Chlor im Verhältnis 1:1

    Übungen: CaCl2

    Teilchenmodell:
  2. Kleine Moleküle (wo ein Element nur einmal vorkommt)
    Beispiele: H2O -> das Molekül Wasser besteht aus Wasserstoffatomen und Sauerstoffatomen im Verhältnis 2:1

    Teilchenmodell:

    Übungen: (NH3, CO2, O2)

Aus Verhältnisformeln ist nicht zu erkennen, ob eine Verbindung aus Molekülen oder Ionen besteht.

Faustregel: bei einer Verbindung Metall-Nichtmetall haben wir Ionen, bei einer Verbindung Nichtmetall- Nichtmetall Moleküle! Beispiele:

Regeln bei der Aufstellung von Verhältnisformeln

Die Anzahl einer Atomsorte in der Verbindung wird durch einen Zahlenindex rechts unterhalb des Elementsymbols angegeben.

Beispiele:
Der Zahlenindex 1 wird weggelassen.  Statt Na1Cl1 .................................
Die kleinstmögliche ganze Zahl wird verwendet statt H14O7 ..................................

B) Summenformeln werden bei Molekülen benutzt (wenn jedes Element mehr als einmal vorkommt)

Beispiel H2O2 Wasserstoffperoxid, es hat 2 Wasserstoff- und 2 Sauerstoffatome.

Teilchenmodell:

Die Summenformel gibt die Anzahl (=Summe) der jeweiligen Atomsorte im Molekül an. Vorteil der Summenformel: man kann von der Formel auf die Struktur des Moleküls schließen.

C) Strukturformeln geben noch detaillierter die Raumstruktur von Molekülen an

Beispiel Traubenzucker C6H12O6

Welche weiteren Informationen geben Formeln an?

Sie geben die Anzahl von Teilchen an
Beispiele:

2 CH4: dies sind 2 Moleküle Methan (= Kohlenstofftetrahydrid)

C2H4: ___________________________________________


3 NaCl: __________________________________________

Sie geben die Stoffmenge an

Beispiele:

(1) KCl: dies ist 1 mol Kaliumchlorid (1 mol = 6,022 * 1023 Teilchen)

2 SO2: ___________________________________

 

1.2.3 Formulierung von Reaktionsgleichungen

 

Zn (s) + HCl (aq.) --> ZnCl2 (aq.) + H2

1 mol Zink reagiert mit 1 mol Salzsäure zu 1 mol Zinkdichlorid und 1 mol Wasserstoff.

Kein mathematisches Gleichheitszeichen (=) verwenden, da Edukte und Produkte ganz verschiedene Eigenschaften besitzen, also nicht gleich sind! Nur ihre Massen sind gleich.

Stattdessen Reaktionspfeil verwenden (--> ), mit der Bedeutung "reagiert zu" bzw. "reagiert mit".

Regeln

Prinzip: vor und nach der Reaktion müssen gleich viele Atome jedes Elements vorhanden sein (dies ergibt sich aus dem Gesetz von der Erhaltung der Masse).

  1. zuerst nur Edukte und Produkte mit richtiger Formel schreiben

    ..... H2 + .....O2 --> .....H2O
  2. Einrichten der Reaktionsgleichung: Multiplikation der Formeln mit einem geeigneten ganzzahligen Faktor (Vorsicht: Sie dürfen beim Einrichten der Gleichung nie etwas innerhalb der Verbindung verändern, sonst ändern Sie nämlich den Stoff, sondern nur deren Vorzahl!)

    "Das Wasser muß mit 2 Molekülen vorkommen, da links O2 steht, also auch rechts zwei O-Atome vorkommen müssen;
    anschließend muß aber auch H2 mit 2 multipliziert werden, weil durch das Einrichten beim O dann rechts 4 H-Atome vorliegen.

weitere Reaktionsgleichungen:

.... H2 + .... Cl2 --> .... HCl

.... Fe + .... O2 --> .... Fe2O3

.... H2 + .... N2 --> .... NH3

.... H2O + .... CO2 --> .... C6H12O6

1.2.4 Benennen von Verbindungen (Verbindungen mit 2 Atomsorten)

  1. metallischer Bestandteil vorne, nichtmetallischer Bestandteil mit Endung –id

    z.B. FeS = ...................................... oder ...................................................................

    Allgemeiner: elektropositiveres Atom links (im PSE links unten am stärksten),
    elektronegativeres Atom rechts
    (im PSE rechts oben am stärksten)
    jedem Element ist ein Wert der Elektronegativität zugeordnet

    z.B. NO2 = ........................................ oder SO2/O2S?............................................................

  2. Anzahl der Atome in der Verbindung spricht man mit griechischen Vorsilben
    Cu2S = Dikupfer(mono)sulfid Tiefzahl schreibt man aber nach dem jew. Atom
    Anzahl Vorsilbe
    1 mono-
    2 di-
    3 tri- z.B. Fe2O3 .............................................
    4 tetra-
    5 penta- S2O7 ...............................................
    6 hexa-
    7 hepta-
    8 okta-
  3. bei Verbindungen Nichtmetall – Sauerstoff steht O immer an zweiter Stelle
    z.B. SO2 Schwefeldioxid z.B. HClO3 Chlorsäure HFO
  4. Ausnahme: Verbindungen der Elemente mit Wasserstoff: bis zur V. Hauptgruppe steht H an zweiter Stelle, erst ab der VI. Hauptgruppe steht H an erster Stelle
  5. Übungen:

    Formel

    Name

    Formel

    Name

    Trivialname

    FeS

       

    Dimagnesiumtrinitrid

     

    Fe2O3

       

    Kohlenstofftetrahydrid

     

    P2O5

       

    Stickstofftrihydrid

    Ammoniak

    Al2S3

       

    Dihydrogenoxid

    Wasser

    MgCl2

       

    Dihydrogensulfid

     

    MgI2

       

    Hydrogenfluorid

     

    CaBr2

       

    Hydrogenchlorid

    Salzsäure

    Für viele Stoffe gibt es Trivialnamen, für wichtige Stoffe muß man beide Namen wissen!

  6. Benennung von Verbindungen mit mehr als 2 Atomen, am Beispiel von Elementsauerstoffsäuren
    Regel: die Anionen der Elementsauerstoffsäuren erhalten die Endung –at , wenn das Nichtsauerstoffelement in gebräuchlicher Oxidationsstufe vorliegt

Formel

Name

Formel

Name

Trivialname

K2SO4

Dikaliumsulfat

H2SO4

 

Schwefelsäure

NaNO3

 

HNO3

 

Salpetersäure

K3PO4

 

H3PO4

 

Phosphorsäure

NaClO3

 

HClO3

 

Chlorsäure

Für Komplexsalze und organische Stoffe gibt es spezielle Nomenklaturen.