Reaktionsgleichungen
Aufbau
In Reaktionsgleichungen finden wir links die Ausgangsstoffe (Edukte) und rechts die Reaktionsprodukte (Produkte). Wir wollen hier von zwei Edukten A und B und zwei Produkten C und D ausgehen.
$$
\begin{align*}
\ce{Edukte & -> Produkte} \\
\ce{A + B & -> C + D}
\end{align*}
$$
Hierbei müssen auf beiden Seiten der Gleichungen die gleichen Anzahlen der beteiligten Atome sowie insgesamt die gleiche Ladung zu finden sein.
Um dieses zu erreichen, befinden sich vor den Reaktionspartnern Stöchiometriezahlen, die auch als stöchiometrische Koeffizienten oder kurz Koeffizienten bzw. Vorzahlen bezeichnet werden. Die Koeffizienten sollten gewöhnlich ganzzahlig sein.
Wir wollen die hier mit kleinen Buchstaben bezeichnen.
$$
\ce{a~A + b~B -> c~C + d~D}
$$
Finden wir vor einem Reaktionspartner keinen Koeffizienten, so hat dieser den Wert 1.
Ausgleichen
Lassen wir festes Natrium mit Chlorgas reagieren:
Versuch: Reaktion von Natrium mit Chlor
Aufbau
Durchführung
In einem Reagenzglas mit einem Loch wird ein Stück Natrium gegeben. Dieses wird mit einem Bunsenbrenner angezündet. Anschließend wird das Reagenzglas an einem Faden in einen Standzylinder mit Chlor gebracht.
Beobachtung
Es entsteht ein weißer Rauch und schließlich ein weißer Niederschlag.
Deutung
Es entsteht Natriumchlorid, also das wohlbekannte Kochsalz. Wir können die Wortgleichung aufstellen.
$$
\text{Natrium + Chlor } \ce{->} \text{Natriumchlorid }\\
$$
Für die beteiligten Stoffe kann man das Reaktionsschema mit den korrekten chemischen Formeln formulieren. Beim Chlorgas gilt es, die sogenannte \(BrINClHOF\)-Regel zu beachten, nach der die Elemente Brom, Iod, Stickstoff, Chlor, Wasserstoff, Sauerstoff und Fluor zweiatomige Moleküle bilden.
$$
\ce{
\_ \, Na + \_ \, Cl_2 -> \_ \, NaCl \\
}
$$
Auf der Seite der Edukte haben wir ein Natriumatom und zwei Chloratome, während auf der Seite der Produkte ein Natriumatom und ein Chloratom ist.
Wir konzentrieren uns zunächst auf die Chloratome und schreiben vor das \(\ce{NaCl}\) eine 2.
$$
\ce{ \_~ Na + \_~ Cl2 -> 2 NaCl }
$$
Jetzt haben wir links und rechts 2 Chloratome, aber die Natriumatome sind ungleich verteilt. Daher schreiben wir vor Na auf der Eduktseite eine 2.
$$
\ce{2 Na + Cl2 -> 2 NaCl}
$$
Wir können die Molaren Massen der Edukte und Produkte miteinander vergleichen.
\begin{align*}
\begin{split}
2 \cdot 22,99 \frac{g}{mol} + 2 \cdot 35,45 \frac{g}{mol}
& \rightarrow 2 \cdot 58,44 \frac{g}{mol} \\
116,88 \frac{g}{mol} & = 116,88 \frac{g}{mol}
\end{split}
\end{align*}
$$
Die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe ändert sich nicht. Das entspricht dem Massenerhaltungssatz, dessen Grundlagen bis in die Antike zurückreichen.
Da die Ladungen auf beiden Seiten auch gleich sind, nämlich Null, ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen.
Gleichung für die Verbrennung von Octan
Wir wollen noch ein Beispiel betrachten, die Verbrennung von Octan zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
$$ \ce{
\_~ C8H18 + \_~ O2 -> \_~ CO2 + \_~ H2O
} $$
Auf der Seite der Edukte finden wir acht Kohlenstoffatome und auf der Produktseite eins. Daher erhält Kohlenstoffdioxid den Koeffizienten acht.
$$ \ce{
\_~ C8H18 + \_~ O2 -> 8 CO2 + \_~ H2O
} $$
Den Wasserstoff gleichen wir aus, indem wir vor das Produkt Wasser den stöchiometrischen Koeffizienten 9 setzen.
$$ \ce{
\_~ C8H18 + \_~ O2 -> 8 CO2 + 9 H2O
} $$
Damit haben wir auf beiden Seiten 18 Wasserstoffatome. Hierdurch ergibt sich allerdings ein Problem mit dem Sauerstoff, das wir damit beheben können, vor Sauerstoff den Koeffizienten $\frac{9}{2}$ zu setzen.
$$ \ce{
C8H18 + $\frac{9}{2}$ O2 -> 8 CO2 + 9 H2O
} $$
Damit ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen. Allerdings sollen die stöchiometrischen Koeffizienten ganzzahlig sein.
Wir multiplizieren einfach alle Koeffizienten mit zwei.
$$ \ce{
2 C8H18 + 9 O2 -> 16 CO2 + 18 H2O
} $$
Gleichung für die Reaktion von Kalkwasser mit Phosphorsäure
Als weiteres Beispiel wollen wir uns die Neutralisation von Phosphorsäure mit einer Calciumhydroxidlösung anschauen.
\_~ Ca(OH)2 + \_~ H3PO4 -> \_~ Ca3(PO4)2 + \_~ H2O
} $$
Das Verhältnis beim Calcium ist 1:3, weshalb wir vor das Edukt Calciumhydroxid den Koeffizienten 3 notieren.
3 Ca(OH)2 + \_~ H3PO4 -> Ca3(PO4)2 + \_~ H2O
} $$
Für Phosphor finden wir ein Atom auf der Eduktseite und zwei bei den Produkten. Daher wird für die Phosphorsäure der stöchiometrische Koeffizient 2 eingeführt.
3 Ca(OH)2 + 2 H3PO4 -> Ca3(PO4)2 + \_~ H2O
} $$
Wasserstoff ist bei den Edukten 12mal vertreten und bei den Edukten lediglich einmal. Außerdem haben wir ein Problem mit Sauerstoff, dass wir auf der Eduktseite 14mal finden und bei den Produkten bisher lediglich achtmal.
Wir schreiben vor Wasser den Koeffizienten 6.
3 Ca(OH)2 + 2 H3PO4 -> Ca3(PO4)2 + 6 H2O
} $$
Damit ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen.
