Stöchiometrie, Lösungen und chemisches Gleichgewicht

Einführung in die Stöchiometrie

Die Stöchiometrie ist ein Fachgebiet der Chemie, das die Mengenverhältnisse zwischen den an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffen untersucht. Dabei gelten folgende grundlegende Gesetze:

• Gesetz der konstanten Proportionen: Wenn sich zwei oder mehr Elemente zu einer Verbindung vereinigen, geschieht dies immer in einem konstanten Massenverhältnis.
• Gesetz der konstanten Zusammensetzung: Alle chemischen Verbindungen in reiner Form enthalten immer die gleichen Elemente.
• Gesetz von der Erhaltung der Masse: Materie wird weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt.

Bestimmende Faktoren der Reaktion

• Limitierender Reaktant: Dies ist der Stoff, der an einer chemischen Reaktion so beteiligt ist, dass die Menge des erhaltenen Produkts von ihm abhängt.
• Reaktionsausbeute: Die Menge des Produkts, die bei einer chemischen Reaktion tatsächlich erzeugt wird.

Lösungen und ihre Eigenschaften

Lösungen sind homogene Mischungen eines gelösten Stoffes in einem Lösungsmittel.

• Gelöster Stoff (Solute): Die Substanz, die aufgelöst wird.
• Lösungsmittel (Solvent): Die Substanz, die den gelösten Stoff auflöst.

Arten von Lösungen

• Verdünnt: Wenn die Menge des gelösten Stoffes im Verhältnis zum Lösungsmittel sehr klein ist.
• Gesättigt: Eine Lösung, in der ein Gleichgewicht zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff herrscht.
• Übersättigt: Eine Lösung, in der die Menge des gelösten Stoffes die Sättigungsgrenze überschreitet.

Löslichkeit und Einflussfaktoren

Die Löslichkeit ist die maximale Menge eines Stoffes, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einer gegebenen Menge Lösungsmittel lösen kann. Faktoren, die die Löslichkeit beeinflussen, sind:

• Kontaktoberfläche: Die Wechselwirkung zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel nimmt zu, wenn die Kontaktfläche größer ist (z. B. durch Zerkleinern).
• Agitation (Rühren): Das Schütteln oder Rühren der Lösung beschleunigt den Lösungsvorgang, da neue Moleküle schneller in Kontakt treten.
• Temperatur: Eine Erhöhung der Temperatur begünstigt die Bewegung der Moleküle und erhöht die Energie der Feststoffteilchen, wodurch sie sich leichter lösen.
• Druck: Dieser beeinflusst vor allem die Löslichkeit von Gasen; sie ist direkt proportional zum Druck.

Konzentration und quantitative Einheiten

Die Konzentration gibt die Menge des gelösten Stoffes in einer Lösung an. Man unterscheidet:

Physikalische Einheiten

• Gewichtsprozent (% P/P)
• Gewicht/Volumen-Prozent (% P/V)
• Volumenprozent (% V/V)

Chemische Einheiten

• Molarität
• Molalität
• Normalität
• Molenbruch

Kolligative Eigenschaften von Lösungen

Diese Eigenschaften hängen ausschließlich von der Anzahl der gelösten Teilchen ab:

• Dampfdruck: Nach dem Raoultschen Gesetz ist die Senkung des Dampfdrucks proportional zum Molenbruch des gelösten Stoffes.
• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der der Dampfdruck gleich dem Außendruck ist.
• Gefrierpunkt: Die Temperatur, bei der Dampfdruck von Flüssigkeit und Feststoff gleich sind. Lösungen gefrieren immer bei einer niedrigeren Temperatur als das reine Lösungsmittel.
• Osmotischer Druck: Dieser basiert auf der Osmose, bei der Lösungsmittelmoleküle durch eine semipermeable Membran treten, gelöste Teilchen jedoch nicht.

Chemische Kinetik

Die chemische Kinetik untersucht die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Prozesse und die Variablen, die diese beeinflussen.

Reaktionsgeschwindigkeit

Der Begriff Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie viel Material in einer Zeiteinheit verbraucht oder produziert wird. Sie hängt von intermolekularen Kollisionen ab.

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

• Art der Reaktanten: Chemische Prozesse hängen von den individuellen Merkmalen der Elektronenwolken der beteiligten Teilchen ab.
• Konzentration der Reaktionspartner: Eine höhere Konzentration erhöht die Anzahl der Teilchen und somit die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, was die Geschwindigkeit steigert.
• Temperatur: Ein Temperaturanstieg erhöht die kinetische Energie der Moleküle exponentiell, wodurch mehr Teilchen die nötige Aktivierungsenergie erreichen.
• Katalyse: Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und beschleunigt so die Reaktion, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Chemisches Gleichgewicht

Das chemische Gleichgewicht tritt ein, wenn die Hin- und Rückreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Die Konzentrationen der Edukte und Produkte bleiben dann konstant.

Arten von Reaktionen

• Irreversible Reaktion: Läuft nur in eine Richtung ab, bis die Reaktanten erschöpft sind.
• Reversible Reaktion: Die Produkte können wieder zu den ursprünglichen Reaktanten reagieren. Dies führt zu einem Gleichgewichtszustand.

Beeinflussung des Gleichgewichts (Prinzip von Le Chatelier)

• Konzentrationsänderung: Das Hinzufügen oder Entfernen einer Komponente verschiebt das Gleichgewicht, um die Änderung auszugleichen.
• Temperaturänderung: Eine Erhöhung begünstigt endotherme Prozesse (Wärmeaufnahme), eine Senkung begünstigt exotherme Prozesse.
• Druckänderung: Bei Gasen begünstigt ein höherer Druck die Seite mit dem geringeren Volumen.
• Katalysatoren: Sie haben keinen Einfluss auf die Konzentrationen im Gleichgewicht, da sie Hin- und Rückreaktion gleichermaßen beschleunigen.