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Stöchiometrie und Umrechnungen

Der LCS-Bereich Stöchiometrie befaßt sich mit diversen Mengenberechnungen, Umrechnungen, sowie dem Aufstellen von Reaktionsgleichungen.

Da LCS über einen sehr leistungsstarken Formelparser verfügt, ist es in der Lage praktisch jede Formel selbstständig zu analysieren und auszuwerten. Der Mischphasen-Solver wird Ihnen in vielen Fällen den Schrecken von Fachrechenaufgaben abnehmen können, ein Tool, welches schon alleine die Sharewaregebühr wert wäre. Sie werden erstaunt sein, wie einfach sich viele stöchiometrische Probleme mit LCS lösen lassen.

- Molmasse bestimmen

- Elementanteile einer Formel bestimmen

- Mengenanteile in einer Reaktionsgleichung

- Reaktionsgleichung automatisch aufstellen

- Gleichungsverwaltung

- Titration

- Empirische Formel

- Mischphasen-Solver

- Umrechnungen

- Lösungen herstellen

- Sonstige Berechnungen


Molmasse bestimmen

Hauptmenü Gleichung

-> Menüpunkt Molmasse berechnen  (Taste Strg+M)

Die Molmassenbestimmung aus einer chemischen Formel ist wohl die wichtigste Funktion der gesamten Stöchiometrie. Die molare Masse eines chemischen Elements bzw. einer chemischen Verbindung ist die Masse, die die Stoffmenge 1 mol (6.02*10^23 Atome/Moleküle) dieses Stoffes besitzt.

Die Komplexität einer Chemieformel hat allerdings viele Programmierer dazu verleitet, riesige Datenbanken anzulegen, um dem komplexen Zerlegungsalgorithmus zu entgehen.

LCS besitzt einen solchen Algorithmus (Formelparser), der zudem noch auf Geschwindigkeit getrimmt ist. Dies erlaubt dem Anwender, komplexe stöchiometrische Berechnungen in 'Echtzeit', also ohne eine merkliche Verzögerung durchzuführen.

Hält man sich an die Formelrestriktionen, so kann man LCS problemlos alles 'fressen' lassen.

Beispiel:

Formel-Eingabe:  Na2CO3

Ausgabe: Molmasse = 105.9893 g/mol

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Elementanteile einer Formel


Elementanteile einer Formel bestimmen

Hauptmenü Gleichung

-> Menüpunkt Mengenanteile Formel  (Taste F1)

   oder waagerechte Symbolleiste   (1. Symbol)

Mit diesem Menüpunkt kann man jede Formel in seine Elementanteile zerlegen. Dazu man gibt die Formel, die Menge der Substanz und die Reinheit ein. Hieraus berechnet die Funktion die Mengen- und Prozentanteile der einzelnen Elemente.

Beispiel:

Formel   : CaSO4

Menge    : 1000

Reinheit : 99        (Prozent)

Ausgabe  : Ca = 291.46     29.441 %

           S  = 233.14     23.550 %

           O  = 465.39     47.009 %

Anmerkung:

Die Mengeneingabe ist einheitenfrei. Die Anteile der Elemente werden relativ zueinander bestimmt. Gehen wir z.B. in diesem Fall von 990 Gramm CaSO4 aus, so enthält die Verbindung 291.46 Gramm Calcium usw.

Die Daten werden über das LCS-Workpad ausgegeben. Wie Sie die Ergebnisse weiterverarbeiten können, lesen Sie bitte unter dem Hilfepunkt LCS-Workpad nach.

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Mengenanteile in Gleichungen


Mengenanteile in einer Reaktionsgleichung

Hauptmenü Gleichung

-> Menüpunkt Mengenanteile Gleichung  (Taste F2)

   oder waagerechte Symbolleiste      (Symbol 2)

Das stöchiometrische Auswerten von kompletten Reaktionsgleichungen war bisher eine sehr mühselige Angelegenheit. LCS stellt Ihnen eine sehr mächtige Funktion zur Lösung dieser Aufgabe zur Verfügung. Ihre simple Handhabung und ihre Schnelligkeit dürfte so manches Erstaunen hervorrufen und die Frage stellen, warum solche Tools bisher so selten im Sharewarebereich zu finden waren. Die Antwort liegt sicherlich in dem nicht unerheblichen Aufwand, eine Reaktionsgleichung vom Computer lösen zu lassen.

- Begriff der wesentlichen Gleichung

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Titration

Hauptmenü Gleichung

Menüpunkt -> Titration auswerten  (Taste Strg+T)

Die Titrationsauswertung spielt im Labor eine große Rolle. LCS verfügt über eine Routine, die aus der Gleichungsanalyse abgeleitet wurde. Sie kann Ihnen eine ganze Menge Rechnerei ersparen.

Die Titrationsroutine benötigt neben dem Titrationsvolumen die Formel des Titranden und des Titrators. Hier tritt bereits der erste signifikante Unterschied zur Gleichungsanalyse auf.

Der Titrationsalgorithmus interessiert sich für die Formel des Titrators überhaupt nicht ! Wichtig sind nur die Formel des Titranden und das Verhältnis zwischen Titrand und Titrator.

Beispiel: Redoxtitration

Oxalat / Oxalsäurebestimmung durch KMnO4

Folgende Schreibweisen sind möglich. Hier sehen Sie den Vorteil der wesentlichen Gleichung :

1. 2MnO4 + 5C2O4 + 16H = 2Mn + 10CO2 + 8 H2O

2. 2MnO4 + 5C2O4 = 2Mn

3. 2MnO4 = 5C2O4   (Oxalat-Bestimmung)

4. 2MnO4 = 5H2C2O4 (Oxalsäure-Bestimmung)

5. 2X    = 5C2O4   (Oxalat-Best. Titrator ist egal)

Wie Sie sehen, ist die Gleichung auf ein Minimum zusammengeschrumpft.

Wichtig ist:

Ein Gleichheitszeichen muß vorhanden sein, der Titrand muß klar als Formel definiert sein und die Koeffizientenverhältnisse (hier 2 u. 5) müssen angegeben werden !

Was hat es für Vorteile, den Titrator mit seiner Formel nicht zu betrachten ? Dies spart nicht nur Tippaufwand, sondern hat auch große Vorteile bei Komplextitrationen. Normalerweise prüft der Formelparser bei der Gleichungsanalyse jede Formel auf Korrektheit, im Fall der Titration wird aber die Titratorformel von der Prüfung ausgenommen und nur deren Koeffizienten mit übernommen.

- Titration Beispiele

- Komplettes Titrationsbeispiel

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Empirische Formel

Hauptmenü Gleichung

Menüpunkt -> Empirische Formel (Taste Strg+E)

Mit der empirischen Formel kann man die Verhältnisse der Elemente bzw. Formelfragmente einer Verbindung rekonstruieren.

Beispiel:

Verbindung enthält 112 mg Natrium und 64.1 mg Schwefel. Wie könnte die Summenformel dazu lauten ?

Möglich sind auch Formelfragmente :

Beispiel:

Analyse enthielt 187.5 mg CaO und 82.5 mg CO2. Wie sieht es mit den Verhältnissen der beiden Anteile aus ?

Im Eingabedialog werden die Formel und die gemessene Menge bzw. Volumina usw. abgefragt. Die Formel wird mit Okay übernommen und wechselt automatisch zur nächsten Formeleingabe. Möchte man aufhören, so wird bei der nächsten leeren Eingabemaske mit der Abbruchtaste abgebrochen, und anschließend werden die Verhältnisse errechnet.

Das Ergebnis erscheint als Zahlenverhältnis zueinander. Um dem Anwender die Rekonstruktion der Summenformel zu vereinfachen, wird die kleinste Zahl zu 1 normiert. Sind weiterhin gebrochene Indizes vorhanden, kann man durch Vervielfachung meistens leicht auf gerade Indizes schließen.

- Beispiel empirische Formel

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Umrechnungen

Umrechnungen gehören trotz SI-Einheiten leider Laborleben dazu. LCS stellt Ihnen einige elementare Verfahren zur Verfügung.

- Einheiten umrechnen

- Menge <=> Mol

- Massenanteil <=> Molarität

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Lösungen herstellen

Eine alltägliche Aufgabe im Labor ist das Ansetzen chemischer Lösungen. LCS stellt einige elementare Verfahren zur Verfügung.

- Maßlösung aus Urtiter

- Mischungskreuz

- Molarität berechnen

- Molalität berechnen

- Lösung kristallwasserhalt. Stoffe


Reaktionsgleichung automatisch aufstellen

Hauptmenü Gleichung

-> Reaktiongleichung aufstellen (Taste Strg+R)

Reaktionsgleichungen aufstellen ist in vielen Fällen eine recht mühevolle Angelegenheit. Insbesondere Redox-Gleichungen von übereifrigen Dozenten können schnell lästig werden, es sei denn man hat ein Werkzeug wie LCS.

LCS macht das Aufstellen einer Reaktionsgleichung zum Kinderspiel.

Man braucht nur die koeffizientenlose Reaktionsgleichung LCS zum Grübeln geben und ab geht die Post.

Beispieleingabe :    Na2B4O7 + H2SO4 + H2O = H3BO3 + Na2SO4

Ausgabe der Lösung:  Na2B4O7 + H2SO4 + 5H2O = 4H3BO3 + Na2SO4

Nun, leichter kann man es dem Anwender nicht machen. Welche Lösungsmethoden stecken hinter dieser bequemen Anwenderlösung ?

- Aufbau in Matrixform

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Sonstige Berechnungen

Hauptmenü Gleichung

-> Kjeldahl-Aufschluß  (Taste Strg+K)

Die Kjeldahl-Analyse ist ein Standardverfahren zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Verbindungen. Da fast jeder Laborant oder Chemiker in seiner Ausbildung dieses Verfahren einmal exerziert hat, wurde es in LCS aufgenommen.

Beispiel:

Einwaage         : 750 mg

Molarität HCl    : 0.1 mol/l

Vorlage HCl      : 20 ml

Molarität NaOH   : 0.1 mol/l

Verbrauchte NaOH : 14.3 ml

Ergebnis : 1.06451% Stickstoff

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Gleichungsverwaltung

Formel-/Gleichungspufferung:

Hauptmenü Gleichung

-> Menüpunkt Formelpufferung

Wer 5x eine Gleichung eingetippt hat, der weiß, daß dies recht lästig werden kann. LCS puffert deshalb automatisch die eingegebene Formel bzw. Gleichung und spiegelt diese automatisch in Eingabemasken ein. Sie können diese Möglichkeit über den obengenannten Menüpunkt ein- und abschalten.

Gleichungen laden und speichern:

Hauptmenü Datei

-> Menüpunkt Lade Gleichung

-> Menüpunkt Speicher Gleichung

Gleichungen, die Sie öfter verwenden, können Sie selbstverständlich auch abspeichern und jederzeit wieder hinzuladen. Gleichungsdateien haben die Endung .EQU.

Anmerkung:

Hier können auch Gleichungen aus der Thermochemie abgespeichert werden. Beachten Sie das THC-Gleichungen nicht den allgemeinen Regeln für Gleichungsstrukturen unterliegen und in normalen Gleichungsanalysen nicht immer zugelassen sind.

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Mengenanteile in Gleichungen


Begriff der wesentlichen Gleichung

In sehr vielen Fällen braucht man nicht die ganze Reaktionsgleichung, sondern nur Teile. Diese Funktion prüft nicht, ob die Gleichung oder eine Formel vollständig ist. Wichtig ist es, die wesentlichen Teile einer Reaktionsgleichung festzulegen und die relativen Anteile der Reaktionspartner untereinander anzugeben. Alle diese Informationen stecken ja bereits in jeder chemischen Gleichung.

- Wesentliche Gleichung Beispiel 1

- Wesentliche Gleichung Beispiel 2


Wesentliche Gleichung Beispiel 1

Beispiel : Gravimetrie Sulfatbestimmung mit BaSO4

Bei einer gravimetrischen Sulfatbestimmung wurde 2.567g BaSO4 ausgewogen, wieviel Sulfat enthält die Formel ?

1. Herkömmliche Methode über Mengenberechnung aus Formeln

Eingabe:

Formel   : BaSO4

Menge    : 2.567

Reinheit : 100

Ausgabe  : Ba = 1.5105 g

           S  = 0.3526 g

           O  = 0.7039 g

Jetzt addieren Sie die Sauerstoff- und Schwefelmenge und erhalten 1.0565g Sulfat in der Probe. Nun, die Mengenberechnung in LCS ist nicht schlecht, aber eigentlich wollten Sie ja den Taschenrechner nicht mehr sehen, oder? Dies ist wirklich noch ein simples Beispiel, was aber, wenn es später richtig komplex wird?

2. Mengen in Gleichungen direkt bestimmen

Wir besitzen nun die Menge BaSO4, aber wie kommen wir zu einer Gleichung ? Hier kommt der Begriff der wesentlichen Gleichung ins Spiel. Wir müssen uns von dem strengen Begriff einer chemischen Gleichung trennen und die wesentlichen Fragmente einer Gleichung isolieren und gegenüberstellen.

1. Versuch :

Reaktionsgleichung :  BaSO4 = Ba + S + O4

Hmmh, damit hätten wir die Mengenberechnung exakt nachgebildet.

2. Versuch :

Reaktionsgleichung :  BaSO4 = Ba + SO4

Schon nicht schlecht, wir bekommen den Sulfatanteil heraus.

3. Versuch :

Reaktionsgleichung :  BaSO4 = SO4

Recht so, was interessiert uns der Barium-Anteil. Wichtig ist natürlich das Zahlenverhältnis zwischen den Reaktionspartnern. In diesem simplen Beispiel ist es 1:1.

Nun, im Sinne einer Gleichung ist dies natürlich 'Frevel'. Aber im Sinne der Effektivität ist diese Methode unschlagbar.

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Mengenanteile in Gleichungen

- Wesentliche Gleichung

- Beispiel 2 Wesentliche Gleichung


Titration Beispiel 1
Titration Beispiele

Beispiel: (aus vorheriger Oxalatbestimmung)

Titrator:

2KMnO4 oder 2X werden gleichwertig behandelt, nur der Faktor 2 wird übernommen.

Für den Titrator gilt nur die Einschränkung, er muß aus einem zusammenhängenden Wort bestehen und keine Leer-/Plus- oder Gleichheits-Zeichen enthalten !

Wichtig:

Ein Titrand namens EDTA usw. würde immer abgelehnt. Beliebige Bezeichnungen/Formeln gelten nur für den Titrator.

! Titranden-Namen dürfen nur Elementkombinationen enthalten !

Beispiel:

Titrand:

5C2O4 ist ein korrekter Titrand

5X    ist falsch !, weil der Formelscanner den Titranden zur Berechnung auswerten muß !

Beispiel:

Calciumbestimmung mit Titriplex III und Calconcarbonsäure als Indikator

einfach:  TitriplexIII = Ca  (Titrator muß ein Wort sein !)

oder      T3 = Ca

Beispiel: Titration mit EDTA z.B. Mg-Bestimmung

einfach: EDTA = Mg

Easy, oder ?

Anmerkung: Titriplex III ist ein Warenzeichen der Firma Merck, Darmstadt

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Titration

- Komplette Beispieleingabe Titration


Wesentliche Gleichung Beispiel 2

Natürlich kann man auch vollständige Gleichungen eingeben, wenn's

unbedingt sein muß z.B. :

As2S3 + 14NaNO3 + 6Na2CO3 = 2Na3AsO4 + 3Na2SO4 + 14NaNO2 + 6CO2

Man wählt nun eine der Verbindungen aus, die man gemessen hat, und schon kennt man alle anderen Mengenanteile.

Aber vielleicht interessiert einen nur der Arsenatanteil und man kennt die Menge an Na3AsO4

Eingabe:

- Gleichungs-Eingabe : Na3AsO4 = AsO4

- Formel der bekannten Verbindung anklicken (hier Na3AsO4)

- Menge    : 500  (z.B. in mg)

- Reinheit : 100

Ergebnis:  500 mg Na3AsO4 enthalten 334.1195 mg AsO4

Nachdem eine Gleichung von LCS in seine Reaktionspartner zerlegt wurde, gibt LCS die einzelnen Formeln in einer Listbox aus. Wir wählen nun die bekannte Verbindung per Doppelklick bzw. Einfachklick mit Okay aus. In diesem Fall wird Na3AsO4 als bekannte Verbindung zur Mengenreferenz gewählt.

Im LCS-Workpad finden wir danach die entsprechenden Mengen-Anteile der Formeln wieder.

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Mengenanteile in Gleichung

- Wesentliche Gleichung

- Beispiel 1 Wesentliche Gleichung

'Da saust unser alter Taschenrechnerknecht aber in die tiefste Ecke !'


Was kann umgerechnet werden ?

Der Mischphasensolver beschäftigt sich mit Gehalts-, Konzentrations- und Anteilsumrechnungen. Nicht berücksichtigt sind Verhältnisbeziehungen. Es liegt an Ihnen, welche Grunddaten Sie einsetzen oder nicht. Achten Sie bitte auf die geforderten Einheiten der Grunddaten !

Folgende Grunddaten des Gemisches kann er auswerten:

1. Gesamtmasse in g

2. Gesamtvolumen in ml

3. Gesamtdichte in g/ml

4. Gesamtstoffmenge in mol

Folgende Grunddaten der 2 Substanzen kann er auswerten:

1.  Formel    (er bestimmt hieraus selbstständig die Molmasse)

2.  Molmasse  (nur wenn keine Formel vorhanden ist)

3.  Stoffmenge n in mol

4.  Masse m in g

5.  Volumen V in ml

6.  Dichte p in g/ml

7.  Volumenkonzentration in l/l

8.  Molarität c in mol/l

9.  Stoffmengenanteil x in %

10. Massenanteil w in %

11. Volumenanteil va in %

12. Massenkonzentration ß in g/l

- Mischphasen-Solver


Beispiel empirische Formel

Beispiel:

1. Formelfragment : C

1. Menge bzw. %   : 266.2 mg

2. Formelfragment : H

2. Menge bzw. %   : 55.9 mg

3. Formelfragment : Cl

3. Menge bzw. %   : 392.9 mg

Ausgabe : C  = 1.9986

          H  = 5.0045

          Cl = 1.0000

Ergebnis:  C2H5Cl

Sollten nur die Prozentgehalte der Verbindungen bekannt sein, so können Sie diese einfach statt der Mengenangabe eintippen, dies ändert das Ergebnis nicht.

Anmerkung: Max. 10 Elemente bzw. Formelfragmente sind zugelassen.

- Empirische Formel

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Komplette Beispieleingabe Titration

Kurzer Überblick über die Titrations-Eingabemodalitäten:

1. Anzahl der Titrationen eingeben (z.B. 3 Titrationen durchgeführt)

2. Gleichung eingeben (s.o.)

3. Titrator per Doppelklick auswählen

4. Molarität des Titrators in mol/l angeben

5. Titrand per Doppelklick auswählen

6. ml titriertes Volumen eingeben (je nach Versuchsanzahl)

7. Vorlage (Titrand) in ml oder Gramm eingeben :

   1. ml bedeutet z.B. die Vorlage enthält 20 ml Titrand-Lösung.

   Ausgegeben werden dann die Menge der Substanz in der Vorlage

   und die Stärke der Lösung in mol/l.

   2. Gramm bedeutet z.B. Vorlage wiegt  0.160 g.

   Ausgegeben werden dann die Menge der Substanz in der Vorlage

   und die Gewichtsprozente der Vorlage. Mit dieser Funktion

   kann man die Reinheit titrierter Stoffe bestimmen, d.h. z.B.

   man löst eine gewisse Menge Substanz (diese Menge ist gefragt)

   in einem Lösungsmittel auf und bekommt den Gewichts-%-Anteil

   ausgegeben.

Außerdem wird noch das arithmetische Mittel und die Standardabweichung

bei mehreren Versuchen ausgegeben.

Beispiel-Titration:

Die Molarität von HCl soll mit einer 0.987M NaOH festgestellt werden.

1. Anzahl der durchgeführten Titrationen : 3

2. Gleichungseingabe : NaOH + HCl = NaCl + H2O

                       oder   NaOH = HCl

3. Doppelklick auf Titrator NaOH

4. Molarität des Titrators in mol/l eingeben : 0.987

5. Doppelklick auf Titrand HCl

6. 1. titriertes Volumen in ml : 14.4

   2. titriertes Volumen in ml : 14.3

   3. titriertes Volumen in ml : 14.3

7. Vorlage in ml oder Gramm : ml gewählt

8. ml der Vorlage (Titrand) : 20

Ergebnis der Titration :

Gleichung : NaOH = HCl

Titrator  : 0.1M NaOH       Vorlage: 20 ml HCl

1.         52.50 mg   und   0.0720 mol/l HCl

2.         52.14 mg   und   0.0715 mol/l HCl

3.         52.14 mg   und   0.0715 mol/l HCl

Mittelwert 52.26 mg   und   0.0717 mol/l HCl

Std.Abw.    0.21 mg   und   0.0003 mol/l HCl

Anmerkung: Die Anzahl der Titrationen sollte 8 nicht überschreiten

- Stöchiometrie-Hauptmenü

- Titration


Wie arbeitet man dem Solver ?
Wie arbeitet man mit dem Solver ?

Der Mischphasen-Solver arbeitet mit 3 Eingabedialogen. Im ersten Dialog werden die bekannten Daten für das Gemisch eingegeben, wie z.B. die Gesamtmasse. Der zweite und dritte Dialog sind für die Eingaben für die beiden zu mischenden Substanzen.

Kennen Sie bestimmte Angaben nicht, so lassen Sie bitte die Felder leer (! niemals 0 einsetzen !). Zwischen den Feldern wird mit der TAB-Taste gewandert. Die Return-Taste schließt den Dialog ab. Beim Substanzdialog wird beim Drücken der Return-Taste nochmals nachgefragt, ob man wirklich alles eingegeben hat. Besonders nützlich, wenn man mal wieder die TAB- und Return-Taste verwechselt hat.

Nach den 3 Dialogen verarbeitet der Mischphasen-Solver Ihre Daten und zwar blitzschnell. Danach erscheinen unsere vorherigen 3 Dialoge erneut. Allerdings diesmal nur zur Information, was der Mischphasen-Solver so für die einzelnen Felder bestimmen konnte. Mit der Return-Taste können Sie schnell zum nächsten Dialog wechseln. Jetzt sehen Sie, ob Ihre Eingabedaten auch genügt haben, oder ob die Lösung für den Solver zu komplex war.

Anmerkung 1:

Der Mischphasen-Solver 'glaubt' Ihnen alle Ihre Eingaben. Besetzte Felder, außer der Molmasse, werden niemals neu bestimmt. Wenn Sie hier 'Datenmüll' eingeben, so wird auch Datenmüll herauskommen ! Ist eine Formel vorhanden, so wird die Molmasse automatisch bestimmt. Sparen Sie sich in solchen Fällen bitte die Eingabe der Molmasse !

Anmerkung 2:

Bei wäßrigen Lösungen kann man in den meisten Fällen den gesamten Substanz2-Dialog freilassen. Manche 'gemeinen' Berechnungen benutzen allerdings die Molmasse von Wasser, um an das Ergebnis zu kommen. Hier sollte man ggfs. einmal H2O in die Formel von Substanz2 einsetzen.

Hinweis :

LCS berücksichtigt evtl. Volumenkontraktionen nicht.

- Mischphasen-Solver


Mischungskreuz

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Mischungskreuz

Das Mischungskreuz ist eine elegante Methode, sich recht simpel aus 2 verschiedenen Lösungen eine gewünschte Lösung zu mischen.

Beispielaufgabe :

2500 ml 44% NaCl-Lösung sollen hergestellt werden.

Sie besitzen dafür eine 35% NaCl-Lösung und eine 60% NaCl-Lösung.

Wieviel müssen Sie von der 60%- und 35%-Lösung zusammenmixen, damit Ihre Wunschlösung entsteht ?

Eingabe:

Konzentration der 1.Lösung          : 35

Konzentration der 2.Lösung          : 60

Konzentration der Wunschlösung      : 44

Volumen bzw. Menge der Wunschlösung : 2500

Ergebnis:

Volumen bzw. Menge der 1.Lösung     : 1600

Volumen bzw. Menge der 2.Lösung     : 900

- Lösungen herstellen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Molarität berechnen

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Molarität berechnen

Eingabe:

Formel              : KNO3

Masse Substanz      : 200g

Volumen der Lösung  : 2000 ml

Ergebnis : Molarität =  0.9891 mol/l

- Lösungen herstellen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Quadratische Matrizen

Im obigen Fall ist die Matrix quadratisch, d.h. die Anzahl der Elemente entspricht der Summe der Edukte und Produkte. Sie kann nach dem Gauss-Algorithmus gelöst werden. Allerdings müssen Nullen auf der Hauptdiagonalen durch elementare Matrizenoperationen entfernt werden. Sollte dies nicht gelingen, so wird abgebrochen. Mit großer Wahrscheinlichkeit wurde bei der Eingabe der Gleichung ein Tippfehler gemacht.

- Überbestimmte Matrizen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Überbestimmte Matrizen

In überbestimmten Matrizen gibt es mehr Elemente als die Summe von Produkten und Edukten. Hier müssen zufallsgenerierte Spalten von LCS hinzugefügt werden. Die Lösungen dieser Spalten werden dann in der Ausgabe unterdrückt. Sollte LCS trotzdem das Gleichungssystem für unlösbar erklären, so ist zuerst einmal die Gleichung auf Tippfehler zu checken. Sollte sie korrekt sein, so ist erneut die Reaktions-Aufstellroutine aufzurufen. Vermutlich hatte der interne Zufallsgenerator gerade eine unlösbare Kombination gewürfelt, statistisch gesehen dürfte so ein Fall extrem selten auftreten.

Beispiel:  CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + HF

Lösung :   CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF

Überbestimmte Matrizen sind im Übrigen selten gegenüber den beiden anderen Matrizenarten.

- Unterbestimmte Matrizen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Beispiel Mischphasen-Solver

Folgende Aufgabe steht im Buch Fachrechnen Chemie Band 7a S. 195 aus dem VCH-Verlag:

75 ml Methanol CH3OH, p = 0.791 g/ml, und 450 ml Butanol C4H9OH, p = 0.810 g/ml, werden gemischt. Welche Stoffmengenanteile x(CH3OH) hat die Mischphase ?

Eingabe in Mischsolver:

1. Bekannte Daten zum Gemisch: (alles leer, da nichts bekannt)

  Masse m_gesamt in g          :

  Volumen V_gesamt in ml       :

  Dichte p_gesamt in g/ml      :

  Stoffmenge n_gesamt in mol   :

2. Bekannte Daten zu Substanz 1:

Formel                         : CH3OH

Molmasse                       :

Stoffmenge n in mol            :

Masse m in g                   :

Volumen V in ml                : 75

Dichte p in g/ml               : 0.791

Volumenkonzentration in l/l    :

Molarität c in mol/l           :

Stoffmengenanteil x in %       :

Massenanteil w in %            :

Volumenanteil va in %          :

Massenkonzentration ß in g/l   :

3. Bekannte Daten zu Substanz 2:

Formel                         : C4H9OH

Molmasse                       :

Stoffmenge n in mol            :

Masse m in g                   :

Volumen V in ml                : 450

Dichte p in g/ml               : 0.810

Volumenkonzentration in l/l    :

Molarität c in mol/l           :

Stoffmengenanteil x in %       :

Massenanteil w in %            :

Volumenanteil va in %          :

Massenkonzentration ß in g/l   :

Ausgabe der Auswertung des Mischphasen-Solvers:

1. Berechnete Daten zum Gemisch:

  Masse m_gesamt in g          : 423.82500

  Volumen V_gesamt in ml       : 525.000

  Dichte p_gesamt in g/ml      : 0.8073

  Stoffmenge n_gesamt in mol   : 6.76902

2. Berechnete Daten zu Substanz 1:

Formel                         : CH3OH

Molmasse                       : 32.042

Stoffmenge n in mol            : 1.85148

Masse m in g                   : 59.325

Volumen V in ml                : 75.000

Dichte p in g/ml               : 0.79100

Volumenkonzentration in l/l    : 0.14286

Molarität c in mol/l           : 3.52662

Stoffmengenanteil x in %       : 27.35221

Massenanteil w in %            : 13.99752

Volumenanteil va in %          : 14.28571

Massenkonzentration ß in g/l   : 113.0000

3. Berechnete Daten zu Substanz 2:

Formel                         : C4H9OH

Molmasse                       : 74.11240

Stoffmenge n in mol            : 4.91754

Masse m in g                   : 364.500

Volumen V in ml                : 450.000

Dichte p in g/ml               : 0.81000

Volumenkonzentration in l/l    : 0.85714

Molarität c in mol/l           : 9.36675

Stoffmengenanteil x in %       : 72.64779

Massenanteil w in %            : 86.00248

Volumenanteil va in %          : 85.71429

Massenkonzentration ß in g/l   : 694.28571

Anmerkung:

Ganz nett das Ergebnis, aber erwarten Sie nicht immer, daß alle Felder so schön besetzt sind.

- Mischphasen-Solver


Molalität berechnen

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Molalität berechnen

Eingabe :

Formel            : CaCl2

Masse Substanz    : 50g

Masse der Lösung  : 500g

Ergebnis: Molalität =  1.0011 mol/kg

- Lösungen herstellen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Maßlösung aus Urtiter

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Maßlösung aus Urtiter (Taste Strg+U)

Urtitersubstanzen sind Verbindungen, die sich auch nach längerer Lagerung chemisch nicht verändern und somit eine konstante Reinheit aufweisen.

Beispiel:

Man möchte 500 ml einer 0.5 mol Na2C2O4-Lösung herstellen

Eingabe:   Formel                : Na2C2O4

           Molarität             : 0.5

           Volumen der Lösung ml : 500

Ergebnis : 33.5 g Na2C2O4 einwiegen

Voraussetzung sind die 100% Reinheit der Verbindung. Handelt es sich um eine technisch reine Substanz, muß entsprechend mehr eingewogen werden.

- Lösungen herstellen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Einheiten umrechnen

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Einheiten umrechnen

Folgende Einheiten-Konvertierungen sind möglich :

1.  Kalorien   <-> Joule

2.  Fahrenheit <-> Celsius

3.  Pounds     <-> Kilogramm

4.  US-Gallons <-> Liter

5.  Grad       <-> Rad

LCS beschränkt sich auf die wesentlichen Umrechnungen, die im Labor vorkommen. Wer noch exotischere Konvertierungen benötigt, der sei auf die vielen PD-Konvertierer verwiesen ('schließlich kann man die Konvertiererei bis zum Exzeß treiben').

Die Eingabe erfolgt im ersten Editierfeld. Durch Selektieren der Umrechnung wird dieser Wert umgerechnet und im zweiten Feld angezeigt. Der Dialog kann nur mit Abbruch verlassen werden, ansonsten wird weiter eingegeben und umgerechnet.

- Umrechnung

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Massenanteil <=> Molarität

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-> Massenanteil -> Menüpunkt Molarität

Umrechnung Massenanteil in Molarität

Beispiel: Wieviel molar ist eine 10% KNO3-Lösung ?

Dichte der Lösung muß bekannt sein.

Eingabe :  Formel                  : KNO3

           %-Gehalt der Lösung     : 10

           Dichte der Lösung g/ml  : 1.0627

Ergebnis:  1.051 mol

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Molarität in Massenanteil

Beispiel : Wieviel g NaCl sind in 400 ml 0.6 mol NaCl-Lösung enthalten ?

Eingabe: Formel / Molarität / ml der Lösung

- Umrechnung

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Menge <=> Mol

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Menge in Mol  (Taste Strg+A)

Umrechnung Menge in Mol

Beispiel :

Gegeben sind 700 mg Na2SO4, wieviel mmol sind das ?

Eingabe:   Formel   : Na2SO4

           Menge    : 700

Ergebnis : 4.928 mmol

Die Entscheidung, ob kmol, mol oder mmol als Ergebnis erscheint, liegt beim Anwender, da die LCS Eingabe keine Einheit verlangt.

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-> Menüpunkt Mol in Menge  (Taste Strg+B)

Beispiel :

Gegeben sind 1.25 mol NaCl, wieviel g NaCl sind das ?

Eingabe:   Formel      : NaCl

           Anzahl Mole : 1.25

Ergebnis : 73.05 g

- Umrechnungen

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Unterbestimmte Matrizen

In unterbestimmten Matrizen ist die Summe von Produkten und Edukten größer als die Anzahl der Elemente. Diese Matrizen sind unglücklicherweise nicht mehr mit dem Gauss-Algorithmus lösbar. LCS wendet hier die triviale Probiermethode an, um trotzdem zu einem Ergebnis zu kommen.

Die Geschwindigkeit der Probiermethode hängt stark von dem max. zugelassen Koeffizienten für die Gleichung ab.

LCS gibt standardmäßig den max. Koeffizienten einer Reaktionsgleichung mit 5 vor. In 90% der Fälle reicht dies auch aus. Sollte LCS keine Lösung finden, so ist zuerst einmal die Gleichung zu checken. Danach ist die Reaktions-Aufstellung erneut aufzurufen und ggfs. ein höherer Koeffizient

als 5 einzugeben.

Beispiel: K2MnO4 + H2SO4 = KMnO4 + MnO2 + K2SO4 + H2O

Lösung:   3K2MnO4 + 2H2SO4 = 2KMnO4 + MnO2 + 2K2SO4 + 2H2O

Die Probier-Methode ist nicht langsam, die obige Gleichung wurde auf meinem 486/33 innerhalb 1 Sekunde gelöst. Aber man täusche sich nicht, es gibt andere Extrembeispiele:

2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + 8H2O + 5Cl2

Der extrem hohe Koeffizient 16 vor HCl läßt selbst einen 486/33 in die Knie gehen. Die Berechnung der Lösung dauerte 39 Sekunden.

Während der Gleichungsanalyse wird der Koeffizienten-Gesamtlevel angezeigt (Im Hauptfenster oben rechts, wo sonst 'It's Shareware !' steht). Der Gesamtlevel ist der Koeffizient des 1. Edukts. Die Schleifen-Konstruktion zählt jeweils das rechteste Produkt bis zum eingegebenen Koeffizienten hoch, erhöht den Koeffizienten der Formel links von diesem Produkt um 1 und startet wieder mit dem Wert 1. Es handelt sich also um ineinander geschachtelte Zählschleifen.

Folgendes Beispiel läßt sich gut am Bildschirm verfolgen

(max. Koeffizient = 6).

Beispiel: KOH + I2 = KI + KIO3 + H2O

Lösung  : 6KOH + 3I2 = 5KI + KIO3 + 3H2O

Leider sind unterbestimmte Matrizen gar nicht so selten, aber LCS dürfte in den meisten Fällen recht schnell zu einer Lösung kommen. Auf jeden Fall schneller, als man selbst durch Herumprobieren.

LCS erlaubt max. 9*9 Matrizen, d.h. max. 9 verschiedene Elemente bzw. 9 Edukte/Produkte. Dies dürfte im Allgemeinen ausreichen ("falls jemand unbedingt eine exotische Gleichung > 9 lösen muß, der schreibe mir"). LCS arbeitet nicht mit den Oxidationszahlen der einzelnen Elemente. Der Weg über Oxidationszahlen ist zwar löblich, aber wesentlich aufwendiger und langsamer und am Ende bekommen beide Verfahren das Gleiche heraus.

LCS löst trotz des intern hohen Aufwandes der Gleichungsanalyse und Formelzerlegung fast jede Gleichung innerhalb einer Sekunde. Hier wirken sich die geschwindigskeitsoptimierten Zerlege-Algorithmen der Molmassen- und Gleichungsroutinen aus.

Im Übrigen können auch die Formelmacros Za bis Zj benutzt werden, um evtl. die Matrix zu verkleinern.

- Reaktionsgleichung aufstellen

- Stöchiometrie-Hauptmenü


Mischphasen-Solver

Hauptmenü Umrech

-> Menüpunkt Mischphasen-Solver (Taste Strg-X)

Jeder Chemiker, Laborant und viele andere Chemieinteressierte bekommen es in ihrer Ausbildung mit dem Kapitel Fachrechnen zu tun. Hier muß man aus wenigen Grunddaten eine bestimmte Umrechnung in andere Gehalte, Konzentrationen oder in Anteile vornehmen. Die Grundbeziehungen zwischen diesen einzelnen Angaben sind im allgemeinen recht simpel, aber meistens kommt man nur über diverse Umstellereien an das gewünschte Ergebnis. Diese quälende Umstellerei kann, ich betone kann, Ihnen der Mischphasen-Solver in vielen Fällen ersparen.

Nach welchem Prinzip arbeitet der Mischphasen-Solver ?

Der Mischphasen-Solver kennt eine große Anzahl von Grundbeziehungen zwischen Gehalts-, Konzentrations- und Anteilsbeziehungen. Er ist im Prinzip eine große Formelsammlung, die allerdings sehr intelligent angewendet wird ! Er kann allerdings nur Mischphasen aus 2 Substanzen berechnen. Mischungen aus 3 oder mehr Substanzen waren mir zu aufwendig und sind dazu noch recht selten.

Sein Prinzip lautet:

"Gib mir die Daten, die Du hast. Ich versuche soviel rauszuholen, wie ich kann !"

Er ist also keine simple Formelsammlung, sondern eine Art Formelverwalter, der intern versucht, aus Ihren mageren Grunddaten das Beste zu machen. Er arbeitet solange, bis er aus den vorgegebenen Daten nichts mehr umrechnen ("herausquetschen") kann. Sie tippen nur Ihre Grunddaten ein und warten bis sich der Mischphasensolver meldet. Sie werden von keiner Formel belästigt ! Der Mischphasensolver ist sehr schnell und hat stets innerhalb einer Sekunde das Beste rausgeholt.

- Was kann umgerechnet werden ?

- Wie arbeitet man mit dem Solver ?

- Beispiel Mischphasen-Solver

- Hauptmenü Stöchiometrie

Anmerkung:

Der Mischphasen-Solver kennt sehr viele Grundbeziehungen zwischen Umrechnungen. Es gibt aber viele komplexere Zusammenhänge zwischen verschiedenen Angaben. Der Mischphasen-Solver kennt auch von diesen eine ganze Reihe, aber nicht alle. Sollte der Mischphasen-Solver nicht das gewünschte Ergebnis finden, dann handelt es sich um eine Berechnung, bei der intern mind. 4 Variablen vorkommen bzw. nur durch Kürzen größerer Ausdrücke das Ergebnis erreicht wird. Trotzdem berechnet er in den meisten Fällen noch weitere Angaben, die man dann mit zur Lösung verwenden kann.


Lösung kristallwasserhalt. Stoffe

Hauptmenü Umrech

-> Kristallwasserhaltige Stoffe

Lösungen herstellen aus kristallwasserhaltigen Substanzen

Beispiel:

Wieviel Gramm Na2CO3*10H2O benötigt man zur Herstellung von 750g 5% Na2CO3-Lösung ?

Eingabe:

Formel                : Na2CO3*10H2O

Masse der Lösung in g : 750

%-Gehalt der Lösung   : 5

Ergebnis            : 101.24 g Na2CO3*10H2O

                      648.76 g Wasser

- Lösungen herstellen

- Stöchiometrie Hauptmenü


Aufbau in Matrixform

Die Reaktionsgleichung wird automatisch in ihre Bestandteile zerlegt und dann in eine Matrix-Form gebracht.

Beispieleingabe :    Na2B4O7 + H2SO4 + H2O = H3BO3 + Na2SO4

Matrix-Form für unser Beispiel:

     Na2B4O7     H2SO4     H2O     H3BO3     Na2SO4

-----------------------------------------------------

H       0           2        2        -3         0

B       4           0        0        -1         0

O       7           4        1        -3        -4

Na      2           0        0         0        -2

S       0           1        0         0        -1

Die Anzahl der Atome pro Formel wird in diese 2-dimensionale Matrix eingetragen. Edukte mit positiver Anzahl und Produkte mit negativer Anzahl.

2. Es können 3 Arten von Matrizen entstehen :

- Quadratische Matrizen

- Überbestimmte Matrizen

- Unterbestimmte Matrizen

- Stöchiometrie-Hauptmenü

Quadratische und überbestimmte Matrizen werden nach dem Gauss-Algorithmus gelöst.

Unterbestimmte Matrizen über die triviale Probiermethode