Reaktionsgleichungen aufstellen und prüfen
Wie man Reaktionsgleichungen über Atom-, Ladungs- und Elektronenbilanz einrichtet und vorgegebene Gleichungen sicher auf Fehler prüft.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Reaktionsgleichung gibt Stoffmengenverhältnisse an und muss Atombilanz und Ladungsbilanz erfüllen.
- Die Oxidationszahl ist die formale Ladung bei Zuordnung aller Bindungselektronen zum elektronegativeren Partner; am C zählt jede Bindung zu O +1, zu H −1.
- Bei Redoxreaktionen gleicht die Elektronenbilanz abgegebene und aufgenommene Elektronen über das kgV aus, z. B. 3 Cu auf 2 \(\ce{NO3-}\).
- \(\ce{Al(OH)3}\) und \(\ce{H2SO4}\) reagieren im Verhältnis 2 : 3, Acetanhydrid und Wasser im Verhältnis 1 : 1.
- Erhitztes Cobalt(II)-nitrat liefert \(\ce{NO2}\) und \(\ce{O2}\) in einer inneren Redoxreaktion.
Worum es geht
Jede Gehaltsberechnung in der Analytik beruht auf einer korrekten Reaktionsgleichung. Wer Atome, Ladungen und Elektronen bilanzieren kann, richtet Gleichungen ein und erkennt fehlerhafte auf einen Blick.
Erhaltungssätze
Eine Reaktionsgleichung nennt das Stoffmengenverhältnis der Reaktionspartner. Die Koeffizienten zählen Mol, nicht Gramm. Die Umrechnung in Massen folgt in Rechnen mit Stoffmenge, Masse und Gehalt.
Jede korrekte Gleichung erfüllt zwei Erhaltungssätze. Die Atombilanz fordert links und rechts gleich viele Atome jedes Elements, denn Masse bleibt erhalten. Die Ladungsbilanz fordert auf beiden Seiten dieselbe Summe der Ionenladungen.
Für Redoxreaktionen braucht man die Oxidationszahl. Sie ist die formale Ladung eines Atoms, wenn man alle Bindungselektronen dem elektronegativeren Partner zuschlägt. Elemente haben 0, gebundener Sauerstoff meist −2, Wasserstoff meist +1. Die Summe ergibt die Ladung des Teilchens. Am Kohlenstoff zählt jede Bindung zu O +1, jede zu H −1, Bindungen zu C zählen 0.
Das zweite C-Atom steigt von Ethanol (−1) zur Essigsäure (+3) um vier Stufen. Ethanol gibt also vier Elektronen ab.
Gleichungen einrichten
Die Elektronenbilanz ergänzt die Erhaltungssätze: Das Reduktionsmittel gibt so viele Elektronen ab, wie das Oxidationsmittel aufnimmt. Kupfer in Salpetersäure zeigt das Vorgehen.
- Oxidationszahlen: Cu geht von 0 auf +2 (2 Elektronen ab), N von +5 im Nitrat auf +2 im NO (3 Elektronen auf).
- Elektronen gleichsetzen: Das kgV ist 6, also 3 Cu und 2 \(\ce{NO3-}\).
- Ladung ausgleichen: Links −2, rechts +6. Acht \(\ce{H+}\) gleichen aus, im Basischen nimmt man \(\ce{OH-}\).
- Atombilanz: Wasser ergänzt H und O, zuletzt jedes Element nachzählen.
\[\ce{3 Cu + 2 NO3- + 8 H+ -> 3 Cu^2+ + 2 NO + 4 H2O}\]
Organische Redoxreaktionen prüft man genauso. Beim Citrat-Nachweis wird Citronensäure oxidativ zu Acetondicarbonsäure decarboxyliert. Zwei C-Atome steigen um je eine Stufe, jedes Molekül gibt 2 Elektronen ab.
Permanganat nimmt 5 Elektronen auf, daraus folgt 5 : 2. Mehr zum Nachweis steht unter qualitative Analyse, zu Schmelzen unter Aufschlüsse.
\[\ce{5 C6H8O7 + 2 MnO4- + 6 H+ -> 5 C5H6O5 + 5 CO2 + 2 Mn^2+ + 8 H2O}\]
Das Prüfen vorgegebener Redoxgleichungen von Schmelzen, Aufschlüssen und Nachweisen wird im Examen gerne gefragt. Kontrolliere immer alle drei Bilanzen: Stimmen Atome und Ladung, aber nicht die Elektronen, ist die Gleichung falsch.
Bei Hydrolysen und Neutralisationen ändert sich keine Oxidationszahl. Dann genügen Atom- und Ladungsbilanz.
Ausgewählte Gleichungen
Acetanhydrid hydrolysiert mit Wasser im Verhältnis 1 : 1 zu zwei Essigsäure.
\[\ce{(CH3CO)2O + H2O -> 2 CH3COOH}\]
Jedes \(\ce{Al(OH)3}\) liefert drei \(\ce{OH-}\), jede Schwefelsäure zwei \(\ce{H+}\). Daher reagieren sie im Verhältnis 2 : 3.
\[\ce{2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 -> Al2(SO4)3 + 6 H2O}\]
Erhitztes Cobalt(II)-nitrat zerfällt zu Oxid, Stickstoffdioxid und Sauerstoff. Das ist eine innere Redoxreaktion: Vier N-Atome sinken von +5 auf +4, zwei O-Atome steigen von −2 auf 0.
\[\ce{2 Co(NO3)2 -> 2 CoO + 4 NO2 + O2}\]
Mit Zinkoxid entsteht nach derselben Bilanz Rinmans Grün:
\[\ce{2 Co(NO3)2 + 2 ZnO -> 2 CoZnO2 + 4 NO2 + O2}\]
Quiz
Aussage 1
Aluminiumhydroxid und Schwefelsäure reagieren im Stoffmengenverhältnis 3 : 2 zu Aluminiumsulfat und Wasser.
Drei \(\ce{OH-}\) je \(\ce{Al(OH)3}\) und zwei \(\ce{H+}\) je \(\ce{H2SO4}\) ergeben das Verhältnis 2 : 3.
Aussage 2
Bei der Oxidation von Kupfer durch Nitrat zu NO reagieren drei Kupferatome mit zwei Nitrationen, weil Cu 2 und N 3 Elektronen umsetzt.
Das kgV von 2 und 3 ist 6, daraus folgen die Koeffizienten 3 und 2.
Aussage 3
Eine Redoxgleichung mit ausgeglichener Atom- und Ladungsbilanz ist immer stöchiometrisch korrekt.
Zusätzlich muss die Elektronenbilanz stimmen: Abgegebene und aufgenommene Elektronen müssen gleich sein.
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