Stöchiometrisches Rechnen

Stöchiometrisches RechnenDas Teilprogramm „Stöchiometrisches Rechnen“ enthält eine mathematische Anwendung aus dem Fachgebiet der Chemie.

Aufgrund des Gesetzes von der Erhaltung der Masse (nach Lomonossow) und des Gesetzes der konstanten Proportionen (nach Proust 1797) lassen sich für jede vollständig verlaufende chemische Reaktion, von der chemischen Gleichung ausgehend, aus der Menge eines Reaktionsteilnehmers die Mengen aller anderen Reaktionsteilnehmer berechnen.
Solche Berechnungen sind Gegenstand eines Teilgebiets der Chemie der Stöchiometrie.

Ein Schwerpunkt der chemischen Anwendungen im Programm ist dieses Unterprogramm zum stöchiometrischen Rechnen. Sie können durch die Auswahl von Ausgangssubstanzen und Reaktionsprodukten eine chemische Reaktionsgleichung erstellen, deren Koeffizienten ermitteln und bei Eingabe der Menge einer der Substanzen die Werte der anderen berechnen.

Beispiel: Reagiert Eisen(II)-sulfat FeSO4 mit Schwefelsäure H2SO4 unter Anwesenheit von Kaliumpermanganat KMnO4, so entstehen nach der Reaktionsgleichung

FeSO4 + H2SO4 + KMnO4 → H2O + Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4

neben Wasser drei Salze, Eisen(III)-sulfat, Mangansulfat und Kaliumsulfat. Soll das Gesetz der Erhaltung der Masse eingehalten werden, kann die Gleichung so aber nicht akzeptiert werden. So treten auf der linken Seite nur ein Eisenatom, rechts aber zwei, links 12 Sauerstoffatome, rechts aber 21 auf. Daher werden alle Substanzen mit einem entsprechenden Faktor versehen, sodass auf beiden Gleichungsseiten die gleiche Anzahl von Atomen für jedes Element vorhanden sind. Für die genannte Gleichung ergibt sich damit:

10 FeSO4 + 8 H2SO4 + 2 KMnO4 → 8 H2O + 5 Fe2(SO4)3 + 2 MnSO4 + K2SO4

Die Bestimmung dieser Koeffizienten gehört zwar zu den Elementaraufgaben des Chemieunterrichts, kann aber doch lästig sein. Das Programm berechnet Ihnen diese Werte. Mit der korrekten Reaktionsgleichung kann nun weitergerechnet werden.

Sollen 100 g Eisen(II)-sulfat reagieren, so tragen Sie diesen Wert ein. Mit dem Schalter Berechnung erhalten Sie als Ergebnis: Um diese 100 g Eisen(II)-Sulfat umzusetzen, müssen Sie 51,6 g Schwefelsäure und 20,8 g Kaliumpermanganat zugeben. An Reaktionsprodukten erhalten Sie 9,5 g Wasser, 131,6 h Eisen(III)-sulfat, 19,9 g Mangansulfat und 11,5 g Kaliumsulfat.

Erstellen einer Reaktionsgleichung
Eine neue Reaktionsgleichung erstellen Sie, indem Sie an den acht Schaltfeldern – vier für Ausgangssubstanzen, vier für die Reaktionsprodukte – wählen, welche Substanz Sie festlegen wollen. Nach der Wahl können Sie aus den beiden linken Listboxen eine Substanz wählen. Die erste Listbox enthält alle chemischen Elemente (atomar!), die zweite Box chemische Verbindungen (welche in der Chemiebibliothek enthalten sind), d.h. z.B. auch Sauerstoff oder Wasserstoff, aber dieses Mal molekular.

Klicken Sie auf einen der Einträge, trägt das Programm den Namen, die Formel sowie die molare Masse ein. Für die Festlegung der zweiten Substanz wählen Sie zuerst die neue Zeile am Schaltfeld und verfahren analog. Beispiel: Eisen soll mit Sauerstoff reagieren. Dazu gehen Sie wie folgt vor:

1. Wahl des ersten Schalters
2. Anklicken des Eintrages Eisen in der linken Listbox der chemischen Elemente
3. Wahl des zweiten Schalters
4. Anklicken des Eintrages Sauerstoff in der zweiten Listbox der chemischen Verbindungen
5. Wahl des 5.Schalters (des ersten der Reaktionsprodukte)
6. Anklicken des z.B. Eisen(III)-oxids in der zweiten Box

Daraufhin finden Sie unter Reaktionsgleichung die chemische Reaktion:

? Fe + ? O2 → ? Fe2O3

Betätigen Sie nun den Schalter Berechnung ermittelt das Programm die fehlenden Koeffizienten, d.h. in diesem Beispiel:

4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3

Zu bemerken ist, dass das Programm nur in den Fällen die Koeffizienten ermitteln kann, in denen kein Koeffizient größer als 12 wird. In die acht Eingabefelder (im Beispiel sinnvollerweise nur die drei mit Substanzen versehenen) können Sie Ihre zu berechnenden Massen eingeben. Der Schalter Berechnung berechnet dann die übrigen.

Soll im Beispiel 100 g Eisen reagieren, so tragen Sie 100 in der Zeile des Eisens ein und erhalten: 43 g Sauerstoff und 143 g Eisen(III)-oxid.

Beachten Sie bitte, dass das Programm ausschließlich mit Massen und nicht mit molarem Volumen rechnet. Die ermittelte Sauerstoffmasse müssten Sie also noch in das Gasvolumen umrechnen.

Vordefinierte Reaktionsgleichungen
Die dritte Listbox des Fensters enthält schon vordefinierte Reaktionsgleichungen, die mit einem typischen Namen in einer internen Bibliothek gespeichert wurden. Möchten Sie so eine Reaktion berechnen, wählen Sie einfach einen Eintrag aus. Das Programm trägt dann alle Ausgangs- und Reaktionsstoffe ein.

Diese Bibliothek können Sie erweitern. Legen Sie zuerst eine Reaktionsgleichung fest und betätigen Sie dann den Schalter Gleichung hinzufügen, so werden Sie nach einem typischen Namen gefragt. Nach Bestätigung mit OK ist Ihre Gleichung dauerhaft in der Bibliothek enthalten.