Chemie-Lexikon/Symbolschreibweise - Reaktionen beschreiben

Warum bringt die Symbolschreibweise mehr als Worte?

Bisher haben wir die Edukte und Produkt einer chemischen Reaktion mit Hilfe von einem Reaktionsschema immer mit Worten beschrieben. Unpraktisch ist daran vor allem, dass die Namen manchmal etwas lang sind. Einige von euch waren deshalb versucht, die Symbolschreibweise, die ihr das erste Mal schon vor einiger Zeit kennengelernt hattet, beim Aufschreiben von Reaktionen zu nutzen.

Allerdings ist dies nicht so einfach, denn beim Reaktionsschema wird die Reaktion nur qualitativ betrachtet:

$Wasserstoff\; + Sauerstoff\; \rightarrow \;Wasser$

Es geht also nur darum, welche Stoffe an der Reaktion beteiligt sind.

Eine Reaktionsgleichung dagegen enthält sowohl qualitative als auch quantitative Informationen:

$2 \;H_2\; + \;O_2 \; \rightarrow \; 2\; H_2O$

Neben den Stoffen, die in Symbolschreibweise angegeben sind, wird nämlich auch genau angegeben wieviele Wasserstoff- und Sauerstoffteilchen da miteinander reagieren und wieviele Wassermoleküle dabei heraus kommen.

BEGRIFFE quantitativ und qualitativ

• quantitativ = die Menge betreffend
• qualitativ = die Art betreffend

Man muss dann natürlich auch dabei beachten, dass die Anzahl der Wasserstoffatome, die man in die Reaktion "hineinsteckt" auch hinten wieder "hinauskommen". Denn Atome können weder zerstört noch plötzlich erschaffen werden.

ZUR ERINNERUNG Daltons Atomtheorie

Bei chemischen Reaktionen werden Atome nur umgelagert.

Das ist nun ein neuer Aspekt, der vorher nicht wichtig war, da wir nur an die beteiligten Stoffe an sich gedacht haben. Auch das Gesetz zur Erhaltung der Masse reicht da nicht aus, wird aber von Daltons Idee bestätigt.

Wenn ich von jeder Atomsorte vor und nach der Reaktion die gleiche Anzahl habe, bleibt natürlich auch die Masse bei der chemischen Reaktion gleich.

Ein sich daraus ergebender Vorteil ist, das man etwa hier in dem Beispiel schon vorhersagen kann, wieviel Sauerstoff man braucht, damit man ein stöchiometrisches Knallgas-Gemisch hat. Ihr habt ja schon mitbekommen, das die Reaktion von reinem Wasserstoff mit der Umgebungsluft sehr viel schwächer ist, als wenn man es im richtigen Verhältnis mit Sauerstoff mischt.

Begleitet wird uns dabei das Eisen ... wie im Bild oben angedeutet ... an dem wir exemplarisch Reaktionen in Symbolschreibweise notieren und später auch quantitative Berechnungen vornehmen werden. Bei den Eisenoxiden haben wir auch die Besonderheit, die wir schon von anderen Metallen kennen. Dass es nämlich verschiedene Oxide gibt, bei denen das Atomanzahlverhältnis von Eisen- zu Sauerstoff-Atomen unterschiedlich ist. Mit der Symbolschreibweise können wir das aber ganze genau angeben.

Atome zählen

Wie schon erwähnt enthalten Reaktionsgleichungen qualitative und quantitative Informationen. Wie man Verbindungen benennt bzw. wie man aufgrund des Namens auf die richtige Formel kommt, hast du im letzten Abschnitt geübt. Nun geht es um das Quantitative ... bei Reaktionsgleichungen aber nicht um das Wiegen sondern um das Zählen der Atome.

Betrachten wir noch einmal die Reaktion vom Wasserstoff mit Sauerstoff:

$2 \;H_2\; + \;O_2 \; \longrightarrow \; 2\; H_2O$

Für das Zählen schauen wir natürlich nach den Zahlen und da gibt es zwei Typen:

BEGRIFF Index und Stöchiometrischer Koeffizient

Index nennt man die kleinen, tiefgestellten Zahlen, die hinter einem Atom stehen und angeben, wie oft dieses Atom in einem Molekül vorkommt.

• $H_2O$ ... die 2 hinter dem H bedeutet, dass in diesem Teilchen 2 Wasserstoffatome und (weil hinter dem O nichts steht) ein Sauerstoffatom enthalten sind.
• $O_2$ ... die 2 hinter dem O bedeutet, dass dieses Teilchen nur aus 2 Sauerstoffatomen besteht.

Stöchiometrischer Faktor oder Koeffizient nennt man die großen Zahlen, die vor den Atomen bzw. Teilchen stehen.

• $2\; H_2O$ ... die 2 davor gibt an, dass es zwei Teilchen der Art $H_2O$ gibt. Somit habe ich 4 Wasserstoffatome und 2 Sauerstoffatome.

AUFGABE 1

In → diesem Test sollst du Atome zählen. Dabei kommen sowohl Indizes als auch stöchiometrische Faktoren vor. Es gibt zwei einzelne Test, wobei du den Ersten mindestens machen musst. Der zweite ist etwas schwieriger, da teilweise kompliziertere Formeln vorkommen.

AUFGABE 2

In → dieser Übung sollst du den stöchiometrischen Koeffizienten bestimmen, um auf einen bestimmte Anzahl von Atomen zu kommen. Auch hier gibt es zwei Übungen, die du aber beide bearbeiten sollst.

Zählen wir mal, ob bei der Reaktionsgleichung zur Verbrennung von Wasserstoff auch die Anzahl der Atome stimmt. Dazu notiere ich für jedes vorkommende Element in einer eigenen Zeile unter der Reaktionsgleichung wieviele Atome der Sorte bei jedem Stoff enthalten sind.

	$2 \;H_2$	+	$O_2$	$\longrightarrow$	$2\; H_2O$
Anzahl O-Atome	$0$		$2$		$2 \cdot 1$
Anzahl H-Atome	$2 \cdot 2$		$0$		$2 \cdot 2$

• Man sieht, dass die Anzahl der Sauerstoff-Atome bei den Edukten und bei den Produkten zwei ist.
• Und es gibt jeweils bei den Edukten und Produkten vier Wasserstoffatome.

Damit haben wir vor der Reaktion gleichviele Atome jeder Sorte, wie nach der Reaktion. Eine Reaktionsgleichung kann nur dann richtig sein, wenn dies stimmt. Natürlich stimmt dann auch das Gesetz von der Erhaltung der Masse.

WICHTIG Atome zählen!

Die Anzahl der Atome jedes Elementes muss vor und nach der Reaktion gleich sein.

Ein weiteres Beispiel mit anderen Stoffen und mehr Atomen. Dabei habe ich die Anzahl der Atome für alle Produkte bzw. alle Edukte immer gleich zusammengeschrieben.

	Ethanol	+	Sauerstoff	$\;\longrightarrow\;$	Kohlenstoffdioxid	+	Wasser
	$C_2H_5OH$	+	$3\;O_2$	$\;\longrightarrow\;$	$2\;CO_2$	+	$3\;H_2O$
Anzahl O-Atome	$1 + 3 \cdot 2$				$2 \cdot 2 + 3 \cdot 1$
Anzahl H-Atome	$5+1$				$3\cdot 2$
Anzahl C-Atome	$1 \cdot 2$				$2 \cdot 1$

Sauerstoffatome jeweils 7, Wasserstoffatome jeweils 6, Kohlenstoffatome jeweils 2 Auch hier ist die Reaktionsgleichung richtig!

INFORMATION Wie man Reaktionsgleichungen kontrolliert

Beim Überprüfen von Reaktionsgleichungen sollte man immer die Anzahl der Atome bei den Edukten und Produkten kontrollieren.

TIPP: Im oben gezeigten Beispiel könnte man noch Farben verwenden, um die Herkunft der Zahlen zu verdeutlichen. Dies solltest du zumindest in einem Beispiel einmal selber machen. Die "Einsen", die ich hier in der Rechnung dazugeschrieben habe, könnte man dann auch in der Reaktionsgleichung ergänzen, auch wenn Sie als Indizes oder Stöchiometrische Faktoren nicht aufgeschrieben werden.

AUFGABE 3

→ Hier sollst du kontrollieren, ob die gegebene Reaktionsgleichung richtig ist. Gefragt ist, ob die Anzahl richtig ist oder welche Atomanzahl nicht richtig ist.

Einfache Reaktionsgleichungen vervollständigen

Bei den letzten Übungen gab es schon einige Reaktionsgleichungen, die recht kompliziert waren oder zumindest aussahen. Du sollst nun lernen, selber Reaktionsgleichungen auszugleichen. Dabei wirst du eine Reaktion vorgegeben bekommen, bei der die Symbolschreibweise der Stoffe angegeben ist. Meist stimmt aber Anzahl der Atome nicht - man sagt dann "Die Reaktion ist nicht ausgeglichen". Die Aufgabe ist es dann, passende stöchiometrische Faktoren zu den gegebenen Stoffe zu finden, damit die Reaktionsgleichung stimmt, also ausgeglichen ist.

Dabei fängt es mit leichten Übungen an und wird immer schwerer. Zum Schluss sollst du aus einem Text, der eine Reaktion beschreibt, die Reaktionsgleichung in Symbolschreibweise aufschreiben und ausgleichen.

Anhand von drei Beispielen wird im folgenden Vorlage:Video Video gezeigt wie man vorgehen sollte und auf was zu achten ist.

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WICHTIG Ausgleichen nur mit Stöchiometrischen Koeffizienten

Zum Ausgleichen einer Reaktionsgleichung dürfen nur Stöchiometrische Faktoren ergänzt werden, um die Anzahl der Atome auszugleichen. Die Formeln der Stoffe müssen unverändert bleiben, da es sich sonst um andere Stoffe handelt.

ACHTUNG: Es ist ein großer Unterschied, ob eine Zahl als Index oder als stöchiometrischer Koeffizient ergänzt wird. Dazu ein paar Beispiele!

2 Cl	=	2 einzelne Chloratome.
Cl2	=	1 Teilchen, wie es im Chlorgas vorkommt, das aus 2 verbundenen Chloratomen zusammengesetzt ist.
H2O	=	1 Teilchen (Molekül), das jeweils aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom besteht.
2 HO	=	2 Teilchen, die jeweils aus 1 Wasserstoffatom und 1 Sauerstoffatom bestehen.
Cu2O	=	1 Einheit vom roten Kupferoxid, die jeweils zwei Kupferatome enthält. Also hat man 2 Kupferatome (und ein Sauerstoffatom).
2 CuO	=	2 Einheiten vom schwarzen Kupferoxid, die jeweils ein Kupferatom enthalten. Also hat man auch 2 Kupferatome (und zwei Sauerstoffatome). Die Veränderung des Index würde zu einem anderen Stoff führen!

Beispiel einer Reaktionsgleichung: Das Ausgleichen der Reaktion Natrium reagiert mit Wasser unter der Bildung von Wasserstoff und Natriumhydroxid ist nicht ganz so einfach. Hier noch einmal, warum man etwas ändern muss, was man nicht machen darf und wie es dann richtig ist. Kontrolliert für euch, was noch falsch ist!

Nach dem Aufschreiben der Edukte und Produkte in Symbolschreibweise ist die Reaktionsgleichung meist noch nicht ausgeglichen:

$Na + H_2O \rightarrow H_2 + NaOH$

Falsch wäre es, die Formel eines Stoffes zu verändern, auch wenn dann die Anzahl der Atome rechts und links stimmt.

$\xcancel{Na + H_3O \rightarrow H_2 + NaOH}$

Richtig ist es, wenn man nur stöchiometrische Faktoren ergänzt:

$2 Na + 2 H_2O \rightarrow H_2 + 2 NaOH$

AUFGABE 4

Nun sollst du Reaktionen selber ausgleichen. Die Aufgaben sind als Lückentexte gegeben, in denen du die Ergebnisse zur Kontrolle eintragen sollst. → Teil 1 enthält ganz einfache Aufgaben zum Einstieg. → Teil 2 besteht aus leicht schwereren Reaktionsgleichungen.

Trage immer alle Reaktionsgleichungen in dein Heft ein und mache da alle notwendigen Notizen

Denk immer daran: Wenn du nicht auf Anhieb die richtigen Faktoren findest, solltest du nicht einfach herumprobieren, sondern es systematisch angehen. Zähle bei den Reaktionsgleichungen im Heft die Atomsorten auf und wie oft sie vorkommen, verwende farbige Zahlen für die Faktoren und trage die Faktoren auch beim Zählen farbig ein.

Schwere Reaktionsgleichungen vervollständigen

Nun etwas schwerer: Bisher sind die Reaktionsgleichungen recht einfach. Schwer wird es dann, wenn eines der Elemente in sehr vielen der beteiligten Stoffe auftaucht.

Dazu wieder ein Vorlage:Video Video, in dem ein sehr kompliziertes Beispiel gezeigt wird.

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Tipps zum Ausgleichen von Reaktionsgleichungen

• Zählt die Atome von jeder Atomsorte bei den Edukten und Produkten. (Anmerkung: auch um sich so einen Überblick zu verschaffen, wo welche Atomsorten vorkommen!)
• Kommt eine Atomsorte in der Reaktionsgleichung als Element vor (Einzelatome oder Moleküle wie O₂), sollte es zuletzt ausgeglichen werden.
• Die Anzahl der Atome von Elementen, die nur in Verbindungen vorkommen, sollten zuerst ausgeglichen werden.
• Gibt es Probleme beim Ausgleichen (gerade und ungerade Zahlen zum Beispiel), muss man die schon eingetragenen Faktoren evtl. verdoppeln, verdreifachen, ...

AUFGABE 5

Gleiche die Reaktionsgleichung $FeS_2 + O_2 \rightarrow Fe_2O_3 + SO_2$ so ausführlich wie im Film mit verschiedenen Farben aus. Lass beim Aufschreiben im Heft genügend Platz vor den Stoffen in der Gleichung und beim Notieren der Anzahl unter der Gleichung! Und du wirst viel Platz brauchen!!

TIPP:Sauerstoff sollte als letztes ausgeglichen werden. Ob man mit Eisen oder Schwefel zuerst anfängt beim Ausgleichen ist nicht so wichtig. Beides geht, aber es ist trotzdem nicht so einfach, da man ein paar Mal "Nachbessern" muss um zur Lösung zu kommen.

LÖSUNG

$4 FeS_2 + 11 O_2 \rightarrow 2 Fe_2O_3 + 8 SO_2$

Zur Kontrolle und zum Herumprobieren bei Reaktionsgleichung habe ich mir eine Tabelle erstellt, die du dir herunterladen und verwenden kannst. In einem kurzen Vorlage:Video Film stelle ich die Verwendung der Datei vor. Mit Hilfe der Tabelle kannst du bei der folgenden Aufgabe deine Lösungen kontrollieren.

AUFGABE 6

In → dieser Übung gibt es zuerst ein paar kürzere Reaktionsgleichungen, die ihr per Lückentext kontrollieren könnt. Als Teil 2 Reaktionen, die ohne Lückentext-Kontrolle sind, stattdessen aber mit den ausgeglichenen Gleichungen als Lösung.

Reaktionsgleichungen aufstellen

Bei den bisherigen Aufgaben ging es darum, das ihr die Reaktionsgleichungen als Reaktionsschema vorgegeben bekommen habt. Oft aber, sind die Edukte und Produkte nur im Text angegeben. Im folgenden Video findet ihr eine Anleitung, wie man vorgehen muss, wenn man eine Reaktion als Text beschrieben hat.

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AUFGABE 7

Hier einige einfache Beschreibungen von Reaktionen, die du in Reaktionsgleichungen übersetzen sollst:

• Eisensulfid soll aus den Elementen hergestellt werden.
• Chlorwasserstoff HCl soll aus Waserstoff und Chlorgas hergestellt werden!
• Kohlenmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan (CH₄) und Wasserdampf.
• Beim Brennen von Kalk (= Calciumcarbonat = CaCO₃) entstehen Calciumoxid und Kohlendioxid.
• Im Körper wird Traubenzucker (C₆H₁₂O₆) mit dem eingeatmeten Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.

Atom oder Molekül?

Denk daran, dass nicht alle Elemente als Einzel-Atome vorliegen. Alle gasförmigen Elemente (außer den Edelgasen) bestehen aus Molekülen mit zwei Atomen (H₂, Cl₂, N₂, ... usw.)

LÖSUNGEN

• $\mathrm{Fe \; + \; S \; \longrightarrow \; FeS}$
• $\mathrm{H_2 \; + \; Cl_2 \; \longrightarrow \; 2 \; HCl}$
• $\mathrm{CO \; + \; 3 \; H_2 \longrightarrow \; CH_4 \; + \; H2_0 }$
• $\mathrm{CaCO_3 \; \longrightarrow \; CaO \; + \; CO_2}$
• $\mathrm{ C_6H_12O_6 + 9 O_2 \longrightarrow \ 6 \ CO_2 + 6 H_2O}$

Für die nächste Aufgabe, wo wir uns speziell Reaktionen anschauen, die im Hochofen bei der Eisen-Gewinnung stattfinden, noch einmal ein wichtiger Begriff zur Wiederholung oder wenn du ihn noch nicht kennst:

BEGRIFF Reduktion

Vereinfacht versteht man unter einer Reduktion das Entfernen von Sauerstoff aus einer Verbindung

Und nun zu den Aufgaben: Achte hier besonders darauf, welches der Stoffe Edukte und welches Produkte sind. Das ist nicht immer so klar zu verstehen, wie in der letzten Aufgabe. Schreibe dir als erst immer ein Reaktionsschema (also mit Worten) für die Reaktion auf. und vergleiche dies noch einmal mit der Aufgabenstellung.

AUFGABE 8

Erstelle zu den wichtigen Reaktionen, die beim Hochofen-Prozess stattfinden, die Reaktionsgleichungen.

• Im Boudouard-Gleichgewicht reagiert das beim Reduktions-Prozess entstehende Kohlendioxid mit dem oben nachgelieferten Koks (= Kohlenstoff) zu Kohlenmonoxid, das für die Reduktion von Eisenoxid benötigt wird.
• Kohlenmonoxid entsteht ebenfalls bei der Reaktion von dem im Heißgas befindlichen Wasserdampf mit Koks, wobei außerdem Wasserstoff entsteht.

Kohlendioxid und Wasserstoff sind die Stoffe, die die Reduktion des Eisenoxids zum elementarem Eisen bewirken. Die Reduktion findet meist in mehreren Stufen statt. Dabei finden z.B. die folgenden Reaktionen statt:

• Aus Hämatit entsteht durch Reduktion mit Kohlenmonoxid das stärker eisenhaltige Magnetit und Kohlendioxid.
• Magnetit wird z.B. mit Wasserstoff zu elementarem Eisen reduziert.

LÖSUNGEN

• $\mathrm{CO_2 \; + \; C \; \longrightarrow \; 2 \; CO}$
• $\mathrm{H_2O \; + C \; \longrightarrow \; H_2 \; + \; CO}$
• $\mathrm{3 \; Fe_2O_3 \; + \; CO \; \longrightarrow \; 2 \; Fe_3O_4 + CO_2 }$
• $\mathrm{Fe_3O_4 + 4 H_2 \; \longrightarrow \; 3 \; Fe + 4 \; H_2O}$

Links

• Online-Tool zum Ausgleichen von Reaktionsgleichungen