Stöchiometrie; Stöchiometrisch

Die Stöchiometrie beschreibt die quantitativen Stoffmengenverhältnisse in chemischen Reaktionen und beruht auf dem Gesetz der Massenerhaltung sowie der Konstanz der Zusammensetzung chemischer Verbindungen. Ein stöchiometrisches Verhältnis liegt vor, wenn alle Reaktionspartner exakt im durch die Reaktionsgleichung vorgegebenen Stoffmengenverhältnis vorliegen. In diesem Fall bleiben weder Edukte im Überschuss zurück, noch entstehen unnötige Nebenprodukte. Grundlage hierfür ist eine ausgeglichene Reaktionsgleichung, in der auf der Edukt- und der Produktseite je Element gleich viele Atome vorkommen. Zentral ist die Stoffmenge n in der Einheit Mol, denn sie verknüpft die Anzahl der Teilchen mit messbaren Größen wie Masse und Volumen.

Für einen Stoff gilt: m = n · M, wobei m die Masse in Gramm, n die Stoffmenge in Mol und M die molare Masse in Gramm pro Mol ist. Bei Gasen wird oft das molare Volumen V_m verwendet. Unter Normbedingungen gilt näherungsweise: 

V = n · V_m

Mithilfe stöchiometrischer Berechnungen kann aus der gegebenen Masse eines Edukts die erforderliche Masse eines zweiten Edukts und die theoretische Ausbeute an Produkten bestimmt werden. In der Verfahrenstechnik sind stöchiometrische Verhältnisse wichtig für die Auslegung, die Sicherheit und die Energieeffizienz von Prozessen. Im industriellen Maßstab beeinflussen sie die Rohstoffausnutzung, die Emissionen und den Bedarf an Abluft- und Abwasserbehandlung. Betrachten wir als Beispiel die vollständige Verbrennung von Methan:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

CH₄ (Methan) enthält ein C-Atom und vier H-Atome, O₂ (Sauerstoffmolekül) enthält zwei O-Atome, CO₂ (Kohlendioxid) enthält ein C-Atom und zwei O-Atome und H₂O (Wasser) enthält zwei H-Atome und ein O-Atom. Die Koeffizienten 1 : 2 : 1 : 2 geben das stöchiometrische Stoffmengenverhältnis an. Auf der Edukt- und der Produktseite liegen jeweils ein Kohlenstoffatom, vier Wasserstoffatome und vier Sauerstoffatome vor. Sind genau n(CH₄) Mol Methan und 2 · n(CH₄) Mol Sauerstoff vorhanden, ist das Gemisch stöchiometrisch gemischt. Aus den molaren Massen ergibt sich:

M(CH₄) ≈ 16 g/mol; M(O₂) ≈ 32 g/mol

Daraus folgt das stöchiometrische Massenverhältnis: 16 g Methan reagieren mit 64 g Sauerstoff, d. h., das Massenverhältnis Methan : Sauerstoff beträgt 1 : 4. 

Stöchiometrisch dosiert, optimal gemischt: In vielen Prozessen entscheiden präzise Stoffmengenverhältnisse über Ausbeute, Qualität und Sicherheit chemischer Reaktionen. amixon® Mischsysteme unterstützen dabei, die genau verwogenen Edukte im gewünschten stöchiometrischen Verhältnis aufzubereiten.