Stöchiometrie berechnen — Grenzreagenz & theoretische Ausbeute
In einer chemischen Reaktion wird das Grenzreagenz (Limiting Reagent) vollständig verbraucht — es bestimmt die theoretische Ausbeute. Schritt 1: Mole jedes Edukts aus Masse und molarer Masse berechnen. Schritt 2: Mole durch den stöchiometrischen Koeffizienten dividieren. Das Reagenz mit dem kleinsten Quotienten ist das Grenzreagenz.
Beispiel: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Gegeben: 4 g H₂ (= 2 mol, Koeff. 2 → 1 mol) und 48 g O₂ (= 1,5 mol, Koeff. 1 → 1,5 mol). Quotient H₂: 1,0; O₂: 1,5 → H₂ ist Grenzreagenz. Theoretische Ausbeute H₂O: 2 mol × 18 g/mol = 36 g. Die prozentuale Ausbeute = (tatsächliche / theoretische Ausbeute) × 100.
Ausbeuten in der organischen Synthese
In der organischen Chemie liegen typische Ausbeuten zwischen 50 und 90 %. Mehrschrittige Synthesen (Gesamtausbeute = Produkt aller Stufenausbeuten): 5 Stufen à 80 % Ausbeute ergeben nur 0,8⁵ = 32,8 % Gesamtausbeute. Ursachen für Verluste: Nebenreaktionen, mechanische Verluste bei Aufarbeitung (Extraktion, Umkristallisation), unvollständige Reaktionen.
Atomökonomie (nach Barry Trost, 1991) = (Molmasse Zielprodukt / Molmasse aller Reaktionsprodukte) × 100 %. Hohe Atomökonomie bedeutet nachhaltiges, abfallreduziertes Verfahren — ein zentrales Prinzip der Grünen Chemie (12 Prinzipien nach Anastas & Warner). Die Atomökonomie einer Additionsreaktion beträgt 100 %, einer Substitution < 100 %.
Stöchiometrie in der industriellen Praxis
In der Industrie werden Edukte meist im Überschuss eingesetzt (10–50 % über stöchiometrisch), um vollständige Umsetzung des teureren oder schwerer abtrennbaren Edukts zu gewährleisten. Der Überschuss wird danach abgetrennt und recycelt. Massenbilanzen in Chemieanlagen folgen dem Erhaltungsprinzip: Eingang = Ausgang + Akkumulation. Für Reaktoren gilt die Raum-Zeit-Ausbeute (RZA): Produktmasse je Reaktorvolumen und Zeit [kg/(L·h)].