Grundlagen chemische Gleichungen

 

 

a) Mischt man 4g Schwefel und 7 g Eisenpulver zusammen und entzündet es mit einem Bunsenbrenner, bildet sich ein neuer Stoff: Eisensulfid (Eisenschwefel).

 

Eisen und Schwefel wurden zu Eisenschwefel.

 

Ein Chemiker würde es kürzer formulieren:

 

Fe + S à FeS

 

Das Zeichen „+“ erinnert an die Mathematik und für den Pfeil kann man sich ein Gleichheitszeichen denken. Das man kein echtes Gleichheitszeichen verwendet, hat zwei Gründe.

 

1) Schwefel und Eisen sind nicht das Gleiche wie Schwefeleisen (Eisensulfid). Die Eigenschaften der drei Stoffe sind verschieden.

 

2) Der Pfeil à deutet die Richtung an, in der sich der Vorgang abspielt.  Man kann Schwefel und Eisen durch Erhitzen in Eisensulfid verwandeln, aber aus Eisensulfid kann man durch Abkühlen keinen Schwefel und Eisen zurück gewinnen.

 

Eine chemische Gleichung hat noch eine weitere Aussage.

 

Fe + S à FeS

 

Bedeutet nämlich, dass nicht nur Schwefel und Eisen zu Eisensulfid werden, sondern dass gerade 1 Atom Schwefel mit 1 Atom Eisen sich zu 1 Molekül Eisensulfid zusammenschließen (ich wurde darauf hingewiesen, dass hier der Begriff Verbindung treffender wäre.):

 

 

Jedes Elementsymbol bedeutet nicht nur das Element, sondern gleichzeitig 1 Atom (Molekül) dieses Elementes.

Da aber jedes Atom auch ein bestimmtes Gewicht besitzt, ist damit auch eine (winzige) Mengenangabe verbunden. Dieses „Gewicht“ der einzelnen Atome findet man in Tabellen oder dem Periodensystem der Elemente. Der Chemiker spricht bei Gewicht von Masse und die Gewichte der einzelnen Atome werden als relative Atommassen (atomare Masseneinheit) bezeichnet. Seine Einheit ist das „unit“ (u) und bezeichnete früher das Gewicht eines einzelnen Wasserstoff-Atoms (heutzutage das Gewicht eines Zwölftel des C-Atoms). Jedes Atom hat sein eigenes Gewicht, seine eigene Masse (= spezifische Masse).

 

Im Periodensystem findet man für Schwefel die relative Atommasse von 32 u und für Eisen von 56 u.

 

Die Gleichung sagt aus, dass jeweils 1 Atom der beiden Elemente zu einem Molekül zusammentreten. Und da jedes Atom einer bestimmten Masse entspricht, vereinigen sich nicht willkürliche Mengen der Elemente miteinander, sondern immer nur bestimmte Gewichtsmengen.

 

 

Die Molekülmasse des Eisensulfids setzt sich aus den Atommassen der Atome zusammen, die das Molekül bilden. 32 + 56 = 88

 

Schwefel und Eisen vereinigen sich stets im Masse-Verhältnis von 32 : 56 oder gekürzt 4 : 7.

 

Dieses Verhältnis war der Grund warum zu Anfang 4g Schwefel mit 7g Eisen vermischt wurde. Andere Gewichtsverhältnisse hätten unweigerlich zu überschüssigen Mengen an Eisen oder Schwefel geführt.

 

Als Chemiker kann man natürlich nicht einzelne Atome miteinander reagieren lassen. Man braucht immer Massen, die man auch abwiegen kann. Das ist mit einzelnen Atomen unmöglich.

Daher rechnen Chemiker mit der Masse von sehr vielen Atomen eines Elementes. Wenn immer das gleiche Vielfache benutzt wird, stimmen die Massen-Verhältnisse immer noch überein.

Dieses Vielfache ist die Avogadro-Zahl: 6 * 10²³ (Atome oder Moleküle).

 

Diese Anzahl an Atomen (Molekülen) wird Mol genannt. Das Mol ist demnach ein Zahl-Wort, ähnlich wie ein Dutzend. Dutzend = 12 ; Mol = 6 * 10²³

 

Das Vielfache ist genau so gewählt, das die Atommasse in unit genau die gleiche Zahl in Gramm ist.

 

Folgende Zahlenwerte sind identisch: Der Zahlenwert der Masse eines Teilchens in der atomaren Masseneinheit u - den nannte man in der Chemie früher relative Atommasse oder „Atomgewicht“ - und der Zahlenwert der Masse von 1 mol dieses Teilchens in Gramm

 

Ein Schwefel-Atom wiegt 32 unit. 6 * 10²³ (= 1 mol) Schwefel-Atome wiegen 32 Gramm.

Ein Eisen-Atom wiegt 56 unit. 6*10²³ Eisen-Atome wiegen 56 Gramm.

Ein Eisensulfid-Molekül wiegt 88 unit. 6 * 10²³ Eisensulfid-Moleküle wiegen 88 Gramm.

 

Das Mol ist die international anerkannte Basiseinheit der Stoffmenge (Einheitenzeichen: mol).

 

 

 

 

b) Quecksilberoxid gibt beim Erhitzen Sauerstoff und Quecksilber ab.

 

HgO à Hg + O

 

Diese Gleichung kann leider nicht so einfach formuliert werden. Der Sauerstoff entsteht zunächst in der Form, wie sie die Gleichung angibt, als einzelnes (atomares) Sauerstoff-Atom.

In diesem atomaren Zustand verweilt er allerdings nur den Bruchteil eines Augenblicks, und schließt sich quasi sofort mit einem anderen atomaren Sauerstoff-Atom zu einem Sauerstoff-Molekül zusammen.

 

O + O à O₂

 

Die Gleichung muss also lauten:

 

HgO à Hg + O₂

 

Dadurch ist die Gleichung nicht mehr ausgeglichen. Links befindet sich nur 1 Atom Sauerstoff, rechts hingegen zwei, in der Form des O₂- Moleküls.

Daher müssen wir die Gleichung erst in die richtige Beziehung setzen: Verdoppelt man die Zahl der HgO-Moleküle auf der linken Seite, dann stimmt die Sauerstoff-Rechnung:

 

2 HgO à Hg + O₂

 

Um die 2 Hg-Atome auf der linken Seite auszugleichen, müssen sie rechts berücksichtigt werden:

 

2 HgO à 2 Hg + O₂

 

Damit weist die linke Seite der Gleichung gleich viele Atome auf wie die rechte Seite.

 

 

 

c) Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt.

 

Die Formeln der beteiligten Stoffe müssen bekannt sein!!!

 

H₂O à H₂ + O₂

 

Diese „Vorab“-Gleichung ist noch nicht richtig. Zwar findet man links und rechts je 2 Atome Wasserstoff, doch ist links 1 Sauerstoff-Atom zu wenig vorhanden. Dieses kann ausgeglichen werden durch die doppelte Menge an Wasser.

 

2 H₂O à H₂ + O₂

 

Rechts fehlen jetzt zwei H-Atome. Durch die Verdopplung der H₂-Moleküle auf der rechten Seite lässt sich dies ausgleichen.

 

2 H₂O à 2 H₂ + O₂

 

Als feste Regel gilt:

Die Formel einer Verbindung darf unter keinen Umständen verändert werden.

Wasser hat die Formel H₂O. Schreibt man z.B. H₂O₂, liegt chemisch kein Wasser mehr vor, sondern Wasserstoffperoxid; ein völlig anderer Stoff mit anderen Eigenschaften.

 

Die „Vorab“-Gleichung darf niemals dadurch in die „richtige“ Form gebracht werden, dass die Formel des Wassers H₂O durch die Formel des Wasserstoffperoxids H₂O₂ ersetzt wird.

 

H₂O₂ à H₂ +O₂

 

Diese Gleichung ist zwar nach Atommengen rechts und links ausgeglichen, aber sie gibt nicht den Vorgang wieder, um den es hier geht.

Sie schildert nicht die Zersetzung des Wassers, sondern die Zersetzung des Wasserstoffperoxids.

 

Wie viel Gramm Wasserstoff und Sauerstoff entstehen aus 72 g Wasser?

 

Zuerst die Gleichung:

 

2 H₂O à 2 H₂ + O₂

 

Dann Atommassen einsetzen:

 

2 * (2 + 16)       à 2 * 2 + 2 * 16

36            à     4   +   32

 

Aus 2 Molekülen Wasser entstehen 4 Atome Wasserstoff und 2 Atome Sauerstoff.

Aus 36 unit Wasser entstehen somit 4 unit Wasserstoff und 32 unit Sauerstoff oder

Aus 36 Gramm Wasser entstehen 4 Gramm Wasserstoff und 32 Gramm Sauerstoff.

 

Dreisatz:

Aus 2 * 36g = 72 g Wasser entstehen 2 * 4g = 8g Wasserstoff und 2 * 32g = 64g Sauerstoff.

 

Die Reaktion 2 H₂O à 2 H₂ + O₂  kann auch in die andere Richtung ablaufen:

 

2 H₂ + O₂   à 2 H₂O

 

Diese Gleichung beschreibt die klassische Knallgasreaktion. Hier wird Wasser nicht in seine Bestandteile zerlegt, sondern aus zwei Gasen gebildet.

Grundsätzlich können (fast) alle Reaktionen in beide Richtungen ablaufen. Um diesem Sachverhalt gerecht zu werden, weist der Reaktionspfeil oft  in beide Richtungen.

 

 

Hierdurch wird ebenfalls eine Gleichgewichtsreaktion ausgedrückt, auf die wir hier nicht näher eingehen werden.

 

d) Beim Übergießen von Eisen mit Salzsäure entstehen Eisenchlorid und Wasserstoffgas.

Wie viel Wasserstoffgas erhält man aus 100g Eisen?

 

„Vorab“-Gleichung aufstellen:

 

Fe + HCl à FeCl₂ + H₂

 

Die Mengen sind noch nicht ausgeglichen. Zuerst sucht man die Formeln heraus, in denen die Atome eines bestimmten Elementes  mehrmals vorkommen: FeCl₂ und H₂

Sie stehen auf der rechten Seite; auf der linken Seite müssen sie ebenfalls mindestens zweimal vorkommen. Durch Verdopplung der HCl-Moleküle auf der linken Seite ist die Gleichung ausgeglichen.

 

Fe + 2 HCl à FeCl₂ + H₂

 

Wie viel Wasserstoffgas erhält man aus 100g Eisen?

 

Fe	+	2 HCl	à	FeCl2	+	H2
56	+	2*(1 + 35,5)	à	56 + (2*35,5)	+	2 *1
56	+	73	à	127	+	2

 

Mit Hilfe von 56 g Eisen erhält man also 2 g Wasserstoff. Von 100 g Eisen erhält man x g Wasserstoff:

 

2 : 56 = x : 100    | *100

 

200 : 56 = x = 3,57

 

Mit Hilfe von 100g Eisen erhält man 3,57 g Wasserstoff.

 

Hier stellt sich ein weiteres Problem, es kann sich auch ein anderes Produkt bei dieser Reaktion ergeben. Die Verbindung FeCl₃ existiert ebenfalls und kann durch unterschiedliche Reaktionsbedingungen entstehen.

 

Die „Vorab“-Gleichung wäre anders:

 

Fe + HCl à FeCl₃ + H₂

 

Wieder muss diese Gleichung erst einmal ausgeglichen werden.

Einem einzelnen Cl (HCl) auf der linken Seite stehen 3 Cl (FeCl₃) auf der rechten Seite gegenüber. Erhöhen wir die Cl indem wir auf der linken Seite 3 HCl in die Reaktion einbringen, erhalten wir auf der rechten Seite 3 H-Atome, die nicht als Molekül ausgedrückt werden können. Es würden sich 1,5 H₂ Moleküle ergeben.

 

Fe + 3 HCl à FeCl₃ + 1,5 H₂

 

Da es keine halben Moleküle gibt, multiplizieren wir die gesamte Gleichung mal zwei. Daraus erhalten wir:

 

2 Fe + 6 HCl à 2 FeCl₃ + 3 H₂

 

Damit ist auch diese Gleichung ausgeglichen.

 

 

 

Beispiele:

 

 1) Kaliumperchlorat zerfällt bei 500°C zu Kaliumchlorid und Sauerstoff.

 

„Vorab“-Gleichung:

 

KClO₄ à KCl +  O₂

 

Auf der linken Seite 4 O, auf der rechten Seite 2 O.

 

Ausgleichen:

 

KClO₄ à KCl +  2 O₂

 

 

2) Zinn liefert beim Übergießen mit Salzsäure Zinkchlorid und Wasserstoff.

 

Zn + HCl à ZnCl₂ + H₂

 

Links 1 H und 1 Cl, rechts 2 H und 2 Cl

 

Zn + 2 HCl à ZnCl₂ + H₂

 

 

3) Ammoniak ergibt mit salpetriger Säure Wasser und Stickstoff.

 

NH₃ + HNO₂ à H₂O + N₂

 

Links 4 H und 2 O, rechts 2 H und 1 O.

 

NH₃ + HNO₂ à 2 H₂O + N₂

 

 

4) Phosphorwasserstoff verbrennt an der Luft zu Phosphorsäure.

 

PH₃ + O₂ à H₃PO₄

 

Links 2 O, rechts 4 O.

 

PH₃ + 2 O₂ à H₃PO₄

 

 

5) Diphosphorpentoxid bildet mit Wasser Phosphorsäure.

 

P₂O₅ + H₂O à H₃PO₄

 

Links 2 P, rechts 1 P.

 

P₂O₅ + H₂O à 2 H₃PO₄

 

Links 6 O und 2 H, rechts 8 O und 6 H. Somit fehlen rechts 2 O und 4 H = 2 H₂O.

 

P₂O₅ + 3 H₂O à 2 H₃PO₄

 

 

6) Eisen(III)-oxid bildet mit Kohlenmonoxid Eisen und Kohlendioxid.

 

Fe₂O₃ + CO à Fe + CO₂

 

Links 2 Fe, rechts 1 Fe.

 

Fe₂O₃ + CO à 2 Fe + CO₂

 

Links 4 O, rechts 2 O.

 

Fe₂O₃ + CO à Fe + 2 CO₂

 

Links 1 C, rechts 2 C

 

Fe₂O₃ + 2 CO à Fe + 2 CO₂

 

Links 5 O, rechts 4 O. Durch Hinzufügen eines CO auf der rechten Seite, erhalten wir rechts 6 O und Addition eines CO₂ ergibt links ebenfalls 6 O.

 

Fe₂O₃ + 3 CO à Fe + 3 CO₂

 

 

7) Phosphor verbrennt an der Luft zu Diphosphorpentoxid.

 

P + O₂ à P₂O₅

 

Links 1 P, rechts 2 P.

 

2 P + O₂ à P₂O₅

 

Links 2 O, rechts 5 O. Das kleinste gemeinsame Vielfache von 5 und 2 ist 10.

 

2 P + 5 O₂ à 2 P₂O₅

 

Rechts 2 P, links 4 P.

4 P + 5 O₂ à 2 P₂O₅

 

 

8)Bei der Neutralisation von Phosphorsäure mit Kalkwasser entsteht Calciumphosphat und Wasser.

 

H₃PO₄ + Ca(OH)₂ à Ca₃(PO₄)₂ + H₂O

 

Links 1 P, rechts 2 P.

 

2 H₃PO₄ + Ca(OH)₂ à Ca₃(PO₄)₂ + H₂O

 

Links 1 Ca, rechts 3 Ca.

 

2 H₃PO₄ + 3 Ca(OH)₂ à Ca₃(PO₄)₂ + H₂O

 

Links 12 H und 14 O, rechts 2 H und 9 O. Rechts sind 10 H und 5 O zuwenig = 5 H₂O.

 

2 H₃PO₄ + 3 Ca(OH)₂ à Ca₃(PO₄)₂ + 6 H₂O

 

 

9) Kohlenstoff verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlendioxid.

 

C + O₂ à CO₂

 

10) Magnesium reagiert mit Kohlendioxid zu Magnesiumoxid und Kohlenstoff.

 

Mg + CO₂ à MgO + C

 

Links 2 O, rechts 1 O.

 

Mg + CO₂ à 2 MgO + C

 

Links 1 Mg, rechts 2 Mg.

 

2 Mg + CO₂ à 2 MgO + C