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3.1 Chemische Gleichungen Produkte Abbildung 3.3: Methan reagiert mit Sauerstoff in einem Bunsenbrenner unter Bildung einer Flamme. In dieser Reaktion sind das in Erdgas enthaltene Methan (CH 4 ) und der Sauerstoff (O 2 ) aus der Luft die Reaktanten und Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) die Produkte der Reaktion. Reaktanten O2 CO2 und H2O CH4 Betrachten Sie, um sich die Vorgehensweise beim Ausgleichen von Gleichungen zu verdeutlichen, die in der Abbildung 3.3 dargestellte Verbrennung von Methan (CH 4 ), dem Hauptbestandteil von Erdgas, an Luft. Bei dieser Reaktion entstehen gasförmiges Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Beide Produkte enthalten Sauerstoffatome, die aus der Luft stammen. O 2 ist also ein Reaktant und die unausgeglichene Gleichung lautet CH 4 + O 2 ¡ CO 2 + H 2 O (unausgeglichen) (3.2) Es bietet sich normalerweise an, zunächst die Elemente auszugleichen, die auf beiden Seiten der Gleichung in den wenigsten Formeln vorkommen. In unserem Beispiel kommen C und H nur in einem Reaktanten und jeweils in einem Produkt vor. MIXEN SIE SICH IHR EIGENES WASSER WASSERSTOFF WASSERSTOFF SAUERSTOFF 97
3 STÖCHIOMETRIE: DAS RECHNEN MIT CHEMISCHEN FORMELN UND GLEICHUNGEN Wir konzentrieren uns also auf CH 4 und betrachten zunächst Kohlenstoff und anschließend Wasserstoff. Ein Molekül des Reaktanten CH 4 enthält dieselbe Anzahl C-Atome (eins) wie ein Molekül des Produkts CO 2 . Die Koeffizienten dieser Substanzen müssen also gleich sein. Wir wählen als ersten Schritt für beide Substanzen den Koeffizienten 1. Ein Molekül CH 4 enthält jedoch mehr H-Atome (vier) als ein Molekül des Produkts H 2 O (zwei). Wenn wir also vor H 2 O den Koeffizienten zwei schreiben, befinden sich auf beiden Seiten der Gleichung vier H-Atome: CH 4 + O 2 ¡ CO 2 + 2H 2 O (unausgeglichen) (3.3) Zu diesem Zeitpunkt befinden sich auf der Produktseite mehr O-Atome (vier–zwei aus CO 2 und zwei aus 2H 2 O) als auf der Seite der Reaktanten (zwei). Wir können die Gleichung ausgleichen, indem wir den Koeffizienten 2 vor O 2 schreiben, so dass die Anzahl der O-Atome auf beiden Seiten der Gleichung gleich ist: CH 4 + 2O 2 ¡ CO 2 + 2H 2 O (ausgeglichen) (3.4) Die molekulare Sichtweise der ausgeglichenen Gleichung ist in Abbildung 3.4 dargestellt. Wir erkennen, dass sich auf beiden Seiten des Pfeils ein C-, vier H- und vier O-Atome befinden, die Gleichung also ausgeglichen ist. Wir haben die Gleichung 3.4 im Wesentlichen durch Versuch und Irrtum ermittelt. Die Anzahl der Atome wurde nacheinander ausgeglichen und die entsprechenden Koeffizienten angepasst. Diese Vorgehensweise führt in den meisten Fällen zum Erfolg. Angabe der Aggregatzustände von Reaktanten und Produkten Zur Angabe der physikalischen Zustände der Reaktanten und Produkte werden den Formeln in ausgeglichenen Reaktionsgleichungen oft zusätzliche Informationen hinzugefügt. Dabei werden die Symbole (g), (l), (s) und (aq) für Gase, Flüssigkeiten, Festkörper und wässrige Lösungen verwendet. Gleichung 3.4 kann also folgendermaßen geschrieben werden: CH 4 (g)+2O 2 (g) ¡ CO 2 (g)+2H 2 O(g) (3.5) Manchmal werden auch die Bedingungen (wie Temperatur oder Druck), unter denen eine Reaktion stattfindet, oberhalb oder unterhalb des Reaktionspfeils angegeben. Das Symbol D (der große griechische Buchstabe Delta) wird häufig verwendet, um die Reaktionswärme anzugeben. Abbildung 3.4: Ausgeglichene chemische Gleichung der Verbrennung von CH 4 . Aus den Zeichnungen der beteiligten Moleküle wird ersichtlich, dass vor und nach der Reaktion die gleichen Atome vorhanden sind. CH 4 2 O 2 CO 2 2 H 2 O 1 C 2 O ( ) ( ) ( ) 1 C 4 H (4 O) 2 O 4 H 98
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