Als Einführung kurz zum Unterschied zwischen einer mathematischen Gleichung und einer chemischen Gleichung: Bei einer mathematischen Gleichung steht links und rechts vom “Ist-Gleich-Zeichen” wertmäßig das Gleiche (beispielsweise: 5 + 1 = 4 + 2). Bei einer chemischen Reaktionsgleichung hingegen stehen links und rechts vom “Reaktionspfeil” andere Stoffe mit jeweils verschiedenen Eigenschaften. Nur die Anzahl der Atome (und Elemente) ist auf beiden Seiten gleich.
Der Ablauf einer chemischen Reaktion wird durch eine Reaktionsgleichung wiedergegeben, aus diesem Grund ist das Aufstellen einer Reaktionsgleichung enorm wichtig. Sie gibt die Ausgangs- und Endstoffe einer Stoffumwandlung in Formelschreibweise wieder.
Ausgangsstoffe -> Endstoffe
Die Ausgangsstoffe (Fachsprache: Edukte) stehen auf der linken Seite, die Endstoffe (Fachsprache: Produkte auf der rechten Seite; zwischen ihnen steht ein Pfeil. Damit eine Gleichung korrekt aufgestellt wird, geht man in drei Schritten vor
Schritt 1: Wortgleichung in eine chemische Formelschreibweise übersetzen (z.B. Natrium -> Na)
Schritt 2: Formel des Reaktionsproduktes bestimmen
Schritt 3: Reaktionsgleichung richtig ausgleichen
Zu Beginn einer Reaktionsgleichung muss diese von ein einer Wortgleichung in eine chemische Gleichung übersetzt werden.
Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:
In diesem Kapitel soll nur das Aufstellen einer Reaktionsgleichung erläutert werden, bei der es sich bei den Ausgangsstoffen nur um Elemente handelt: z.B. Kohlenstoff reagiert mit Fluor
Um die chem. Formel der Elemente zu bestimmen, gilt folgende Regel: Von den Elementen des Periodensystems kommen sieben Elemente in elementarer Form immer nur als zweiatomige Moleküle vor. Diese Elemente sind: Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Halogene (7.Gruppe) Fluor, Chlor, Brom und Jod.
Man schreibt als Molekülformel also: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2 und I2
Alle anderen Elemente des Periodensystems werden monomer geschrieben, z.B. Na (Natrium) oder He (Helium)
Somit können wir die oben genannte Gleichung lösen: Kohlenstoff reagiert mit Fluor
Kohlenstoff = C
Fluor = F2
Damit lautet die Wortgleichung in chem. Schreibweise: C + F2
Im vorherigen Kapitel ist erläutert worden, wie die Edukte einer Reaktionsgleichung von einer Wortschreibweise in die chem.Formelschreibweise übersetzt werden. Beispiel: Kohlenstoff reagiert mit Fluor => C + F2
Nun muss natürlich das Produkt aus der Reaktion der beiden Elemente bestimmt werden.
Dazu benutzt man das sog. “Bindigkeitsmodell”. Man weisst dazu jedem Element aus dem Periodensystem zu
1. Hauptgruppe: einwertig 4. Hauptgruppe: vierwertig 7. Hauptgruppe: einwertig
2. Hauptgruppe: zweiwertig 5. Hauptgruppe: dreiwertig 8. Hauptgruppe: nullwertig
3. Hauptgruppe: dreiwertig 6. Hauptgruppe: zweiwertig
Beispiel: Kohlenstoff, C steht in der 4. Hauptgruppe und ist damit vierwertig
Fluor, F2 steht in der 7. Hauptgruppe und ist damit einwertig
Im nächsten Schritt bildet man das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) der Ausgangsstoffe. In unserem Bespiel ist das kleinste gemeinsame Vielfache aus 4 und 1 gleich 4. Doch welche Formel hat nun das Reaktionsprdoukt?
Dazu nimmt man das kgV und teilt es durch die Wertigkeit des Stoffes.
Beispiel: Kohlenstoff 4 (kgV) : 4 (Wertigkeit) = 1, damit wissen wir, dass unser Produkt ein C-Atom enthält Fluor 4 (kgV) : 1 (Wertigkeit) = 4, damit wissen wir, dass unser Produkt vier C-Atome enthät.
Damit ist die Formel unseres Reaktionsproduktes aus Kohlenstoff und Fluor:
CF4 und wir können nun die gesamte Gleichung aufstellen: C + F2 -> CF4
Inzwischen können wir die Reaktion “Kohlenstoff reagiert mit Fluor” in eine chemische Gleichung übersetzten: C + F2 -> CF4
Während einer chemischen Reaktion werden die Bindungen zwischen den Atomen (oder Ionen) der Edukte getrennt. Danach verbinden sich dann die einzelnen Atome mit anderen Atomen (oder Ionen) zum Reaktionsprodukt. Bei einer chemischen Reaktionen werden aber keine Atome vernichtet oder neu erschaffen, es erfolgt immer nur eine Umverteilung der Atome (Gesetz von der Erhaltung der Masse).
1. Schritt: Schauen Sie sich die beiden Seiten der Reaktionsgleichung an, die Sie nun noch ausgleichen müssen.Auf der linken Seite haben wir C + F2 . Zählen wir die Atome, haben wir 1 Atom C und zwei Atome F.
2. Schritt: Auf der rechten Seite steht CF4. Zählen wir wieder die Atome. Es sind 1 Atome C und 4 Atome F. Da das Gesetz von der Erhaltung der Masse immer gültig ist, muss die Gleichung noch richtig ausgeglichen werden, dass auf beiden Seiten gleich viele Atome stehen
3. Schritt: Regeln zum Ausgleichen von Reaktionsgleichungen
* Auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung gibt es gleich viel Atome jeder Sorte
* Die stöchiometrischen Koeffizienten sind ganzzahlig und minimal
Mathematisches Modell zur Lösung: C + F2 -> CF4
Einführung von Koeffizienten: a · C + b ·F2 -> c ·CF4
Bildung eines Gleichungssystem:
Annahme: a= 1 (Regel: Koeffinzienten sollen immer minimal sein)
Ergebnis: a= c = 1 => b = 2*1 = 2
Aus dem Ergebis ergibt sich nun die vollständige, chemisch korrekte Reaktionsgleichung: 1·C +2·F2->1·CF4
Da die Zahl 1 als stöchiometrischer Koeffinzient nicht ausgeschrieben wird, gilt: C +2·F2 -> CF4