Atome zählen,indem man sie wiegt.

Was Stöchiometrie ist

Stöchiometrie ist die mengenmäßige Beziehung zwischen den Stoffen einer chemischen Reaktion. Eine ausgeglichene Gleichung sagt, wie viele Teilchen mit wie vielen reagieren; das Mol übersetzt diese Teilchenzahlen in Massen, die man auf eine Waage legen kann.

Ein Mol enthält genau 6,02214076 × 10²³ Teilchen. Man zählt sie nie direkt. Stattdessen nutzt man die molare Masse M in g/mol, die Masse m und Stoffmenge n über n = m / M verknüpft. Fast jede Stöchiometrieaufgabe ist eine Kette aus drei Schritten: Masse in Mol, Mol in Mol über die Koeffizienten und Mol zurück in Masse.

Schritt 1: Gleichung ausgleichen und molare Massen bestimmen

Nehmen wir die klassische Aspirinsynthese: Salicylsäure (C7H6O3) reagiert mit Essigsäureanhydrid (C4H6O3) zu Acetylsalicylsäure (C9H8O4) und Essigsäure (C2H4O2). Die Gleichung ist bereits 1 : 1 → 1 : 1 ausgeglichen. Prüfen Sie durch Zählen: 11 C, 12 H und 6 O auf jeder Seite.

Aus den Standard-Atommassen ergeben sich 138,12 g/mol für Salicylsäure, 102,09 g/mol für Essigsäureanhydrid, 180,16 g/mol für Aspirin und 60,05 g/mol für Essigsäure. Das kostenlose Molmassen-Tool liefert dieselben Werte aus einem SMILES.

Schritt 2: limitierenden Reaktanten finden

Angenommen, Sie setzen 2,00 g Salicylsäure und 5,00 mL Essigsäureanhydrid ein (Dichte 1,08 g/mL, also 5,40 g). Rechnen Sie beides in Mol um: 2,00 / 138,12 = 0,01448 mol Salicylsäure und 5,40 / 102,09 = 0,0529 mol Anhydrid.

Teilen Sie jede Menge durch ihren Koeffizienten. Beide sind 1, also gehört die kleinere Zahl, 0,01448 mol, zur Salicylsäure: Sie ist der limitierende Reaktant. Das Anhydrid wird absichtlich im Überschuss eingesetzt, weil es billig ist und sich der Überschuss am Ende leicht mit Wasser zerstören lässt. Ein häufiger Fehler ist, Massen statt Stoffmengen zu vergleichen; 2,00 g sind weniger als 5,40 g, aber das zählt erst nach der Umrechnung.

Schritt 3: theoretische Ausbeute, prozentuale Ausbeute und Atomökonomie

Die theoretische Ausbeute folgt aus dem limitierenden Reaktanten: 0,01448 mol Salicylsäure können höchstens 0,01448 mol Aspirin ergeben, also 0,01448 × 180,16 = 2,61 g.

Isolieren Sie 2,10 g trockenes Produkt, beträgt die Ausbeute 2,10 / 2,61 × 100 = 80,5 %. Die Ausbeute sagt nichts über die Reinheit: Ein feuchtes oder verunreinigtes Produkt kann sogar über 100 % liegen, was ein Zeichen zum Trocknen oder Prüfen ist, kein Erfolg.

Die Atomökonomie stellt eine andere Frage: Wie viel der Eduktmasse kann überhaupt im Produkt landen? Hier sind es 180,16 / (138,12 + 102,09) × 100 = 75,0 %. Das restliche Viertel geht als Essigsäure verloren, egal wie gut die Reaktion läuft. Kennzahlen der grünen Chemie wie der E-Faktor gehen weiter und zählen auch Lösungsmittel und Aufarbeitungsabfälle.

Von der Zusammensetzung zur Formel

Stöchiometrie funktioniert auch rückwärts, von der gemessenen Zusammensetzung zur Formel. Eine Verbindung mit 40,0 % C, 6,7 % H und 53,3 % O (Massenanteile) ergibt pro 100 g 3,33 mol C, 6,65 mol H und 3,33 mol O. Teilen durch den kleinsten Wert liefert 1 : 2 : 1, die Verhältnisformel ist also CH2O. Erst eine Bestimmung der molaren Masse zeigt, ob das Molekül CH2O selbst ist oder ein Vielfaches wie C6H12O6.

Lösungen und Titrationen

In Lösung ergibt sich die Stoffmenge aus Konzentration und Volumen: n = c × V. Für 250 mL 0,100 M Natriumchloridlösung braucht man 0,100 × 0,250 = 0,0250 mol, also 0,0250 × 58,44 = 1,461 g, gelöst und im Messkolben bis zur Marke aufgefüllt. Beim Verdünnen bleibt die Stoffmenge gleich, daher gilt C₁V₁ = C₂V₂.

Titrationen nutzen dieselbe Logik umgekehrt. Neutralisieren 21,40 mL 0,1000 M NaOH 25,00 mL Salzsäure, enthielt die Säure 0,1000 × 0,02140 = 0,002140 mol, und ihre Konzentration beträgt 0,002140 / 0,02500 = 0,08560 M. Bei einer 1 : 1-Reaktion entsprechen sich die Stoffmengen direkt; bei Schwefelsäure, die zwei Hydroxid pro Molekül braucht, halbiert man die Säuremenge.

Eine Checkliste, die die meisten Fehler findet

Gleichen Sie zuerst die Gleichung aus. Rechnen Sie jede Angabe in Mol um. Teilen Sie durch die Koeffizienten, um den limitierenden Reaktanten zu finden. Führen Sie die Einheiten in jeder Zeile mit und behalten Sie bis zum Ergebnis ein oder zwei Stellen mehr. Prüfen Sie zum Schluss, ob das Ergebnis plausibel ist: Eine Ausbeute über 100 % oder eine Konzentration über der Stammlösung zeigt einen Fehler weiter oben.