Reaktionsgleichungen und was dahinter steckt

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1 Reaktionsgleichungen und was dahinter steckt Prinzipien Bestehende Formeln dürfen nicht verändert werden. Bei Redoxreaktionen kann H, OH oder H 2 O ergänzt werden. Links und rechts vom Reaktionspfeil muss die Anzahl der Teilchen einer Atomsorte gleich sein ( Reaktionsgleichung ). Der Ausgleich wird durch Koeffizienten vor den Teilchen herbeigeführt. Der Ausgleich sollte bei den Atomen beginnen, die links und rechts jeweils nur in einer Teilchensorte vorkommen. Reaktionsgleichungen 2 1

2 Verbrennung von Kohlenstoff Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid: C O 2 CO 2 Keine Korrektur notwendig, links und rechts vom Reaktionspfeil stehen die gleichen Anzahlen von Atomen der selben Sorte. Reaktionsgleichungen 3 Knallgasreaktion Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser: H 2 O 2 H 2 O Sauerstoff steht links zweimal, rechts nur einmal, daher schreibt man eine 2 vor das Wasser: H 2 O 2 2 H 2 O Rechts stehen nun vier Wasserstoffe, also kommt eine 2 vor das Wasserstoffmolekül: 2 H 2 O 2 2 H 2 O Reaktionsgleichungen 4 2

3 Verbrennung von Erdgas Methan reagiert mit Sauerstoff ( es verbrennt ) zu Kohlendioxid und Wasser: CH 4 O 2 CO 2 H 2 O Wasserstoff links 4-mal, rechts 2-mal; also kommt eine 2 vor das Wasser: CH 4 O 2 CO 2 2 H 2 O Sauerstoff steht jetzt rechts 4-mal, also muss links eine 2 vor den Sauerstoff: CH 4 2 O 2 CO 2 2 H 2 O Reaktionsgleichungen 5 Ammoniak-Synthese Stickstoff und Wasserstoff reagieren zu Ammoniak: N 2 H 2 NH 3 Links kommt Stickstoff 2-mal, rechts 1-mal vor. Also wird eine 2 rechts vor das Ammoniak geschrieben: N 2 H 2 2 NH 3 Rechts stehen nun 6 Wasserstoff, links nur 2; also kommt eine 3 links vor den Wasserstoff: N 2 3 H 2 2 NH 3 Reaktionsgleichungen 6 3

4 Leuchten von Phosphor Weißer Phosphor leuchtet im Dunkeln, hierbei verbrennt Phosphor zu Diphosphorpentoxid: P O 2 P 2 O 5 Sauerstoff kommt links 2-mal vor, rechts 5-mal; gesucht wird das kgv von 2 und 5. Also kommt eine 5 links vor den Sauerstoff und eine 2 vor das Oxid rechts: P 5 O 2 2 P 2 O 5 Phosphor kommt jetzt rechts 4-mal vor, also wird links entsprechend ergänzt: 4 P 5 O 2 2 P 2 O 5 Reaktionsgleichungen 7 Verbrennung von Ammoniak Ammoniak wird unter bestimmten Bedingungen zu Stickstoff(II)-oxid und Wasser verbrannt: NH 3 O 2 NO H 2 O Die Korrektur erfolgt zunächst über Wasserstoff: 2 NH 3 O 2 NO 3 H 2 O Dann wird Stickstoff korrigiert: 2 NH 3 O 2 2 NO 3 H 2 O Sauerstoff steht links 2-mal, rechts 5-mal, korrigieren mit 2,5: 2 NH 3 2,5 O 2 2 NO 3 H 2 O Halbe Moleküle gibt es nicht, daher wird alles verdoppelt: 4 NH 3 5 O 2 4 NO 6 H 2 O Reaktionsgleichungen 8 4

5 Stoffumsatz bei Reaktionen Einsichtig: Jede Reaktion ist mit einem Stoffumsatz verbunden: Beispiel Grillen (also Verbrennung von Holzkohle): Eine Tüte Holzkohle enthält 2,5 kg davon, zum Grillen wird diese angezündet. Glühende Holzkohle liefert die benötigte Wärme, zurück bleibt etwas Asche, die man auswiegen kann. Außerdem entsteht CO 2, eine Gas, das man so einfach nicht wiegen kann. Verbraucht wird Sauerstoff, ebenfalls ein Gas; Problem s. CO 2. Reaktionsgleichungen 9 Masse von Atomen Jedes Atom hat eine bestimmte Masse, diese ist aber sehr klein. Ein Kernteilchen hat die Masse von ca. 1, kg. Dies ist ein unpraktische Größe und wurde mit der Einheit u ausgedrückt. Es gilt: 1, kg = 1 u Die Atommasse wird in Vielfachen von u angegeben, Beispiele: H: 1 u; He 4 u; C 12 u Im PSE stehen Atommassen mit Nachkommastellen, Grund: Viele Elemente haben Isotope, d. h. bei gleicher Protonenzahl sind im Kern unterschiedliche Anzahlen von Neutronen. Daher steht im PSE ein Mittelwert aller in der Natur vorkommenden Isotope, z. B. Chlor mit 35,5 u. Reaktionsgleichungen 10 5

6 Stoffmenge (n), Molmasse (M) Die Angabe der absoluten Teilchenzahl ist unsinnig, da die selbst bei kleinsten Stoffportionen sehr groß ist. Neue Einheit Mol, die eine sehr große Teilchenanzahl zusammenfasst: 1 mol = 6, Teilchen derselben Sorte (Atome, Moleküle, Ionen). Diese Zahl nennt man auch Avogadro-Konstante N A. Die Masse, die N A Teilchen besitzen, nennt man Molmasse: Molmasse = Masse/Stoffmenge oder M = m/n (g/mol) Die Molmasse einer Atomart entspricht zahlenmäßig genau der Atommasse. Die Molmasse einer Verbindung ist die Summe der Molmassen aller beteiligten Atome. Reaktionsgleichungen 11 Molvolumen V m (L/mol) Satz von Avogadro: Gleiche Volumina von Gasen enthalten bei gleichen äußeren Bedingungen die gleiche Anzahl von Teilchen. Ein Mol jedes Gases besitzt somit immer das gleiche Volumen. Bei Zimmertemperatur und Normaldruck spricht man vom molaren Normvolumen. V m = 22,414 L Reaktionsgleichungen 12 6

7 Beispiele M(C) = 12 g = 1 mol C M(H 2 O) = 2 g 16 g = 18 g = 1 mol H 2 O 9 g H 2 O = 0,5 mol H 2 O M(CO 2 ) = 12 g 32 g = 44 g = 1 mol CO 2 = 22,414 L CO 2 1 L CO 2 besitzt also eine Masse von 1,96 g Reaktionsgleichungen 13 Molzahlen bei Reaktionen Bei Reaktionen oder beim Lösen von Stoffen in Wasser kann sich die Anzahl der vorhandenen Teilchen ändern. Beispiel: CaCl 2 Ca 2 2 Cl 1 Mol CaCl 2 1 Mol Ca 2 2 Mol Cl Vergleich: 1 Fahrrad 1 Rahmen 2 Räder 3 Mol Ionen 3 verschiedene Teile In diesem Beispiel entstehen durch Lösen in Wasser aus 1 Mol Verbindung 3 Mol Ionen, in der Lösung befinden sich 1 Mol Calcium- Ionen und 2 Mol Chlorid-Ionen. Reaktionsgleichungen 14 7

8 Molarer Formelumsatz N 2 3 H 2 2 NH 3 28 g 3*2 g = 2*17 g 28 g 6 g = 34 g Bei der letzten Zeile spricht man vom molaren Formelumsatz. Anders ausgedrückt: 1 mol Stickstoff reagiert mit 3 mol Wasserstoff zu 2 mol Ammoniak. oder 28 g Stickstoff reagieren mit 6 g Wasserstoff zu 34 g Ammoniak. oder 22,414 L Stickstoff reagieren mit 67,242 L Wasserstoff zu 44,828 L Ammoniak. Reaktionsgleichungen 15 Beispiel Knallgasreaktion 2 H 2(g) O 2(g) 2 H 2 O (l) 4 g 44,828 L 32 g 22,414 L = 36 g 36 ml Bei dieser Reaktion entsteht aus gasförmigen Reaktanten (Edukten) ein flüssiges Produkt, Wasser. Hierdurch ergibt sich eine gewaltige Volumenkontraktion bei Zimmertemperatur. Reaktionsgleichungen 16 8

9 Herstellung von Eisen(II)-sulfid Fe S FeS 55,8 g 32,1 g = 87,9 g Frage: Wie viel Eisen(II)-sulfid erhält man, wenn nur 20 g Eisen zur Verfügung stehen? Da das Gesetz der konstanten Proportionen immer gilt, kann man eine einfache Verhältnisrechnung anstellen: Fe 55,8 g 20 g oder S 32,1 g = FeS 87,9 g x g Reaktionsgleichungen 17 Herstellung von Wasserstoff im Labor Frage: Wie viel Liter Wasserstoff erhält man, wenn 15 g Zink mit ausreichender Menge Salzsäure reagieren? Zn 65,4 g 15 g 2 HCl ZnCl 2 22,414 L Anders ausgedrückt: Mit 65,4 g Zink und genügend Chlorwasserstoff kann man 22,414 L Wasserstoff herstellen. 15 g Zink ergeben dann proportional dazu weniger Wasserstoff. H 2 x L Reaktionsgleichungen 18 9

10 Zum Rechnen Wie viel Gramm Calciumhydroxid reagieren mit 15 g Phosphorsäure zu Calciumphosphat und Wasser? Wie viel Gramm Kaliumhydroxid sind notwendig, um 200 g Salzsäure zu neutralisieren? Reaktionsgleichung? Setzt man Wismut (Bi) mit konzentrierter Salpetersäure um, so entsteht Wasser, Wismut(III)-nitrat und Stickstoffmonooxid. Wie viel Gramm Wismut(III)-nitrat erhält man, wenn 5 g Wismut umgesetzt werden? Kochsalz und konz. Schwefelsäure reagieren u. a. zu Chlorwasserstoff. Welche Verbindung entsteht weiterhin? Wie viel Liter Chlorwasserstoff entstehen beim Einsatz von 25 g Natriumchlorid und Schwefelsäure im Überschuss? Reaktionsgleichungen 19 10