0.3 Formeln, Gleichungen, Reaktionen

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1 0.3 Formeln, Gleichungen, Reaktionen Aussage von chemischen Formeln Formeln von ionischen Verbindungen - Metallkation, ein- oder mehratomiges Anion - Formel entsteht durch Ausgleich der Ladungen - Bildung eines Ionenkristalls - Berechnung einer Formelmasse Formeln von molekularen Verbindungen - kovalente Bindungen zwischen Nichtmetallen - Formel resultiert aus der kovalenten Wertigkeit (Beachtung Oktettregel) - Berechnung einer Molekülmasse

2 Name von Ionenverbindungen Kation: Mg 2+ Magnesium-Ion deutscher Name Cu + Kupfer(I)-Ion Cu 2+ Kupfer(II)-Ion + NH 4 Ammonium-Ion + OH 3 Oxonium-Ion Anion: Cl - Chlorid-Ion Lateinischer Name O 2- Oxid-Ion (z. T. gekürzt + id) S 2- Sulfid-Ion N 3- Nitrid-Ion OH - CN - Hydroxid-Ion Cyanid-Ion Ionenverbindung: MgCl 2 Magnesiumchlorid Cu 2 O Kupfer(I)-oxid Formel von Ionenverbindungen Ionen: Al 3+ O 2- Ausgleich der Ladungen: 2 Al 3+ 3 O 2- Formel: Al 2 O 3

3 Name von kovalenten Verbindungen Einige Abweichungen zu Ionenverbindungen Regulär Verwendung von griechischen Zahlwörtern: mono- 1 (meist weggelassen) tetra- 4 di- 2 penta- 5 tri- 3 hexa- 6 Daneben auch Trivialnamen: Wasser, Ammoniak Elektropositives Element: S Schwefel deutscher Name H Wasserstoff Elektronegativeres Element: lateinischer Name, (z. T. gekürzt + id) Kovalente Verbindung: O Oxid Cl Chlorid SO 2 Schwefeldioxid H 2 O Diwasserstoffoxid Wasser Formel von kovalenten Verbindungen Namen: Schwefeltrioxid SO 3 Grundlage: kovalente Wertigkeit entsprechend Oktettregel

4 Ionische Verbindungen ( χ > 1,7) Name Formel Calciumfluorid CaF 2 Mangan(IV)-oxid MnO 2 Aluminiumsulfat Al 2 (SO 4 ) 3 Kovalente Verbindungen ( χ < 1,7) Name Schwefelwasserstoff (Trivialname) Formel H 2 S Distickstoffpentoxid N 2 O 5 Phosphortrichlorid PCl 3

5 Aussage von Reaktionsgleichungen Chemische Reaktionsgleichungen geben durch die Formeln der beteiligten Substanzen an, welche Reaktanten (Edukte) sich zu welchen Produkten umsetzen. Unterschiede von kovalenten (Moleküle) und ionischen Verbindungen (Ionenkristalle) beachten Koeffizienten vor den Formeln geben die Zahl der beteiligten Moleküle bzw. die Molzahlen an der Umsetzung an. Chemische Bruttogleichungen informieren über Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte und nicht über den Reaktionsmechanismus.

6 Aufstellen von Reaktionsgleichungen Formulierung von Reaktionsgleichungen - Formeln aller Reaktanden, ein Pfeil und Formeln der Produkte notieren - Aggregatzustand der Reaktionspartner kann in Klammern angegeben werden (g, l, s), wässrige Lösungen durch (aq) - Gleichung schrittweise durch geeignete Wahl von Koeffizienten ausgleichen Nach Überprüfung der Stoffbilanz muss die Anzahl der Atome bzw. Mole jedes beteiligten Elements auf beiden Seiten der Gleichung übereinstimmen. Sind Ionen an der Umsetzung beteiligt, ist eine Überprüfung der Ladungsbilanz notwendig.

7 Vollständige Verbrennung von Wasserstoff 1. Chemische Umsetzung Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser 2. Symbole und Formeln mit Reaktionspfeil verbinden H 2 + O 2 H 2 O Aggregatzustand kann vermerkt werden H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(g) oder (l) 3. Stoffbilanz durch kleinstmögliche, ganzzahlige Koeffizienten korrigieren, zunächst bei der Verbindung mit der höchsten Anzahl gebundener Atome beginnen H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g) 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g) Ausnahme: H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(g) z. B. für Bildungsenthalpie H B (s. 3.3) 4. Überprüfung der Atome/Atomgruppen auf beiden Seiten der Gleichung 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g) 4 H + 2 O = 4 H + 2 O Ladungsbilanz entfällt 5. Gleichung lautet: 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O(g)

8 6. Keine Aussage zum Reaktionsmechanismus H 2 H + O 2 O + H 2 E 2 H OH + O OH + H OH + H 2 H 2 O + H

9 Anorganisch-chemische Reaktionen Einteilung Reaktion Bemerkung nach dem Aggregatzustand der reagierenden Stoffe nach der Art der miteinander reagierenden Teilchen nach der Art der bei der Reaktion übertragenen Teilchen nach der Art der bei der Reaktion umgesetzten Energie nach der Art, wie die Reaktion in Gang gebracht wird Gasreaktionen (s. 0.4) Reaktionen in Lösung Reaktionen von Feststoffen Reaktionen zwischen Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen Molekülreaktionen Ionenreaktionen Radikalreaktionen Redoxreaktionen Säure-Base-Reaktionen Ionenaustauschreaktionen Komplexbildungsreaktionen Thermochemische Reaktionen Photochemische Reaktionen Elektrochemische Reaktionen Katalytische Reaktionen Nichtkatalytische Reaktionen Reaktionen in einer homogenen Phase Fes Reaktionen an Phasengrenzflächen In der organischen Chemie In der anorganischen Chemie Unter Beteiligung von Radikalen Übertragung von Elektronen Übertragung von Protonen Übertragung von Ionen Übertragung von Ionen oder Molekülen Beteiligung von Wärmeenergie Beteiligung von Licht Beteiligung von elektrischer Energie Einsatz von Katalysatoren Kein Einsatz von Katalysatoren

10 Redox-, Säure-Base- und Ionenaustauschreaktionen Nach der Art der bei der Reaktion übertragenen Teilchen werden Redoxreaktionen, Säure-Base-Reaktionen, Ionenaustauschreaktionen und Komplexbildungsreaktionen unterschieden. Art der Reaktion/ Beispiel Redoxreaktion 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Säure-Base-Reaktion H 3 O + + OH - 2 H 2 O Ionenaustauschreaktion AgNO 3 + NaCl AgCl + NaNO 3 Komplexbildungsreaktion AgCl + 2 NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] 2+ + Cl - Charakteristik Übertragung von Elektronen Änderung von Oxidationszahlen Übertragung von Protonen keine Änderung der Oxidationszahlen Übertragung von Ionen keine Änderung der Oxidationszahlen Übertragung von Ionen oder Molekülen keine Änderung der Oxidationszahlen

11 Redoxreaktion - Übertragung von Elektronen - Änderung von Oxidationszahlen Roheisengewinnung ("indirekte Reduktion") 1.) Fe 2 O 3 (s) + CO (g) Fe + CO 2 2.) Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2 Fe + CO 2 3.) Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe + 3 CO 2 Stoffbilanz 2 Fe + 3 C + 6 O = 2 Fe + 3 C + 6 O Reaktionsgleichung mit Hilfe von Oxidationszahlen Reduktion: e - III -II II II 0 IV -II 1.) Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2 Fe + CO 2 OM 1 RM 2 Oxidation: - 2 e ) Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe + 3 CO 2 1 Oxidationsmittel 2 Reduktionsmittel

12 Verbrennung von Wasserstoff e - = - 4 e - Oxidation 0 0 +I -II 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Atome, deren OZ sich ändert Anzahl auf beiden Seiten ausgleichen e - = + 4 e - Reduktion RM OM Verbrennung von Ammoniak (Ostwald-Verfahren) e - = + 4 e - 5 Reduktion -III +I 0 II -II +I -II NH 3 + O 2 NO + H 2 O - 5 e - 4 Oxidation RM OM 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O

13 Säure-Base-Reaktion - Übertragung von Protonen (Arrhenius) - keine Änderung der Oxidationszahlen 1.) NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 2.) 2 NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 3.) 2 NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO H 2 O 2 Na OH H + + SO Na + + SO H 2 O Stoffbilanz 2 Na + S + 6 O + 4 H = 2 Na + S + 6 O + 4 H Ladungsbilanz = = 0

14 Ionenaustauschreaktion - Beispiel Fällungsreaktion - Übertragung von Ionen - keine Änderung der Oxidationszahlen 1.) Na 3 PO 4 + CaCl 2 NaCl + Ca 3 (PO 4 ) 2 2.) 2 Na 3 PO CaCl 2 NaCl + Ca 3 (PO 4 ) 2 3.) 2 Na 3 PO CaCl 2 6 NaCl + Ca 3 (PO 4 ) 2 6 Na PO Ca Cl - 6 Na Cl - + Ca 3 (PO 4 ) 2 Stoffbilanz 6 Na + 2 P + 8 O (2 PO 4 ) + 3 Ca + 6 Cl = 6 Na + 2 P + 8 O (2 PO 4 ) + 3 Ca + 6 Cl Ladungsbilanz = = 0

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