Reaktionsgleichungen aufstellen und ausgleichen: Chemische Reaktion: Energie, Massenerhaltung und Reaktionsgleichung

Einstieg: Wie viel Sauerstoff braucht der Gasherd?

Erdgas besteht vor allem aus Methan. Brennt es auf dem Herd, entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Damit die Flamme sauber brennt, muss genug Luft zuströmen. Aber wie viel Sauerstoff braucht ein Methanteilchen? Die Wortgleichung verrät das nicht. Dafür braucht man eine Reaktionsgleichung mit Formeln.

Erklärung: Von der Wortgleichung zur Reaktionsgleichung

In einer Reaktionsgleichung stehen statt der Namen die Formeln der Stoffe. Eine Formel zeigt, welche Atome in welchem Anzahlverhältnis in einem Stoff stecken. Die kleine tiefgestellte Zahl (der Index) gehört zur Formel und darf nicht verändert werden.

Stoff	Formel	Bedeutung
Wasser	$\mathrm{H_{2}O}$	Ein Wasserteilchen besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom.
Kohlenstoffdioxid	$\mathrm{CO_{2}}$	1 Kohlenstoffatom, 2 Sauerstoffatome
Methan	$\mathrm{CH_{4}}$	1 Kohlenstoffatom, 4 Wasserstoffatome
Kupferoxid (schwarz)	$\mathrm{CuO}$	Kupfer- und Sauerstoffatome im Verhältnis 1 : 1
Magnesiumoxid	$\mathrm{MgO}$	Magnesium- und Sauerstoffatome im Verhältnis 1 : 1
Eisensulfid	$\mathrm{FeS}$	Eisen- und Schwefelatome im Verhältnis 1 : 1

Einige Elemente bestehen aus Teilchen mit zwei Atomen. Das musst du dir merken: Wasserstoff $\mathrm{H_{2}}$ , Sauerstoff $\mathrm{O_{2}}$ , Stickstoff $\mathrm{N_{2}}$ sowie die Halogene Fluor $\mathrm{F_{2}}$ , Chlor $\mathrm{Cl_{2}}$ , Brom $\mathrm{Br_{2}}$ und Iod $\mathrm{I_{2}}$ . Metalle und Kohlenstoff schreibt man mit dem Atomsymbol allein, zum Beispiel $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{C}$ .

In vier Schritten zur Reaktionsgleichung

Wortgleichung aufschreiben.
Formeln einsetzen.
Atome zählen auf beiden Seiten.
Ausgleichen mit großen Zahlen (Koeffizienten) vor den Formeln, bis links und rechts von jeder Atomsorte gleich viele Atome stehen. Die Indizes bleiben dabei unverändert.

Das Ausgleichen ist das Gesetz von der Erhaltung der Masse in Formelsprache: Keine Atome gehen verloren, keine kommen dazu.

Beispiele

Beispiel 1: Verbrennung von Magnesium

Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid
$\mathrm{Mg} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{MgO}$ (noch nicht ausgeglichen)
Links: 1 Mg, 2 O. Rechts: 1 Mg, 1 O. Sauerstoff fehlt rechts.
Eine 2 vor $\mathrm{MgO}$ : rechts 2 Mg, 2 O. Nun fehlt links ein Mg, also eine 2 vor $\mathrm{Mg}$ .

$2\,\mathrm{Mg} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{MgO}$

Kontrolle: links 2 Mg und 2 O, rechts 2 Mg und 2 O.

Falsch wäre, die Formel zu $\mathrm{MgO_{2}}$ zu ändern. Das wäre ein anderer Stoff (Magnesiumperoxid), nicht Magnesiumoxid.

Beispiel 2: Verbrennung von Methan

Methan + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser
Formeln: $\mathrm{CH_{4}}$ , $\mathrm{O_{2}}$ , $\mathrm{CO_{2}}$ , $\mathrm{H_{2}O}$
Kohlenstoff: links 1, rechts 1. Wasserstoff: links 4, rechts 2. Also eine 2 vor $\mathrm{H_{2}O}$ .
Sauerstoff jetzt rechts: 2 im $\mathrm{CO_{2}}$ und 2 im $2\,\mathrm{H_{2}O}$ , zusammen 4. Links braucht man dafür $2\,\mathrm{O_{2}}$ .

$\mathrm{CH_{4}} + 2\,\mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{CO_{2}} + 2\,\mathrm{H_{2}O}$

Ein Methanteilchen braucht also zwei Sauerstoffteilchen.

Beispiel 3: Die Reaktionen aus dieser Reihe

$2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{CuO}$

$\mathrm{Fe} + \mathrm{S} \longrightarrow \mathrm{FeS}$

$\mathrm{C} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{CO_{2}}$

$2\,\mathrm{H_{2}O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{H_{2}O} + \mathrm{O_{2}}$

Merksatz

Eine Reaktionsgleichung beschreibt eine Reaktion mit Formeln. Sie wird mit Koeffizienten vor den Formeln ausgeglichen, bis auf beiden Seiten von jeder Atomsorte gleich viele Atome stehen. Die Indizes in den Formeln werden nie verändert. Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und die Halogene schreibt man als Teilchen aus zwei Atomen.

Übungen: Selbsttest zur ganzen Reihe

Grundlagen

Gib an, wie viele Atome jeder Sorte stehen in: $3\,\mathrm{H_{2}O}$ , $2\,\mathrm{CO_{2}}$ , $\mathrm{Fe_{2}O_{3}}$ .
Gleiche aus: a) $\mathrm{H_{2}} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{H_{2}O}$ b) $\mathrm{Al} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{Al_{2}O_{3}}$ c) $\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_{2}} \longrightarrow \mathrm{NaCl}$
Erkläre an einem Beispiel den Unterschied zwischen exotherm und endotherm.

Weiter

Stelle die Reaktionsgleichung auf: Eisen reagiert mit Sauerstoff zu Eisenoxid mit der Formel $\mathrm{Fe_{2}O_{3}}$ .
Stelle die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Propan ( $\mathrm{C_{3}H_{8}}$ ) auf. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Ein Schüler gleicht $\mathrm{H_{2}} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{H_{2}O}$ so aus: $\mathrm{H_{2}} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow \mathrm{H_{2}O_{2}}$ . Erkläre den Fehler.

Knobeln

Kupferoxid ( $\mathrm{CuO}$ ) reagiert beim Erhitzen mit Kohlenstoff zu Kupfer und Kohlenstoffdioxid. Stelle die Reaktionsgleichung auf und erkläre, warum man diese Reaktion zur Gewinnung von Metallen nutzt.
Bei der Reaktion aus Aufgabe 7 bilden sich aus 1,59 g Kupferoxid 1,27 g Kupfer. Berechne, wie viel Sauerstoff das Kupferoxid enthalten hat, und prüfe damit, ob das Atomanzahlverhältnis 1 : 1 plausibel ist. Ein Kupferatom ist etwa viermal so schwer wie ein Sauerstoffatom.

Lösungen

$3\,\mathrm{H_{2}O}$ : 6 H, 3 O. $2\,\mathrm{CO_{2}}$ : 2 C, 4 O. $\mathrm{Fe_{2}O_{3}}$ : 2 Fe, 3 O.
a) $2\,\mathrm{H_{2}} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{H_{2}O}$ b) $4\,\mathrm{Al} + 3\,\mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{Al_{2}O_{3}}$ c) $2\,\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{NaCl}$
Exotherm: Bei der Verbrennung von Magnesium gibt das System Energie als Wärme und Licht an die Umgebung ab. Endotherm: Bei Zitronensäure und Natron nimmt das System Wärme aus der Umgebung auf, die Temperatur sinkt.
$4\,\mathrm{Fe} + 3\,\mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{Fe_{2}O_{3}}$ . Kontrolle: links 4 Fe, 6 O, rechts 4 Fe, 6 O.
$\mathrm{C_{3}H_{8}} + 5\,\mathrm{O_{2}} \longrightarrow 3\,\mathrm{CO_{2}} + 4\,\mathrm{H_{2}O}$ . Kontrolle: 3 C, 8 H, 10 O auf beiden Seiten.
Er hat den Index verändert. $\mathrm{H_{2}O_{2}}$ ist Wasserstoffperoxid, ein anderer Stoff. Richtig ist $2\,\mathrm{H_{2}} + \mathrm{O_{2}} \longrightarrow 2\,\mathrm{H_{2}O}$ .
$2\,\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \longrightarrow 2\,\mathrm{Cu} + \mathrm{CO_{2}}$ . Der Kohlenstoff entzieht dem Kupferoxid den Sauerstoff. So gewinnt man aus Metalloxiden, wie sie in Erzen vorkommen, das reine Metall. Im Hochofen wird Eisen ähnlich gewonnen, dort vor allem mit Kohlenstoffmonooxid.
Sauerstoff: $1{,}59\,\text{g} - 1{,}27\,\text{g} = 0{,}32\,\text{g}$ . Massenverhältnis Kupfer zu Sauerstoff: $1{,}27 : 0{,}32 \approx 4 : 1$ . Da ein Kupferatom etwa viermal so schwer ist wie ein Sauerstoffatom, passt das zu einem Atomanzahlverhältnis von 1 : 1.