Elementsymbole, Formeln und Reaktionsgleichungen
Wie man die Zahlen am Elementsymbol liest, aus einer Elementanalyse die Summenformel berechnet und Reaktionsgleichungen über Atombilanz und Oxidationszahlen ausgleicht.
Das Wichtigste in Kürze
- Formeln und Reaktionsgleichungen beschreiben Zusammensetzung und Umsatz von Stoffen. Die Summenformel nennt die tatsächliche Atomzahl, die Verhältnisformel nur das kleinste ganzzahlige Verhältnis.
- Am Elementsymbol steht links unten die Ordnungszahl, links oben die Massenzahl, rechts oben die Ladungszahl und rechts unten die Atomzahl.
- Aus Massenanteilen erhält man über \(n_i = w_i/M_i\) das Stoffmengenverhältnis. 43,1 % K, 39,2 % Cl und 17,7 % O ergeben \(\ce{KClO}\).
- Nach dem Gesetz der Massenerhaltung gleicht man mit stöchiometrischen Koeffizienten aus, nie durch Ändern der Indizes.
- In \(\ce{2 NO2 + 4 CO -> N2 + 4 CO2}\) gleichen sich 8 Elektronen aus: N geht von +IV auf 0, C von +II auf +IV.
Worum es geht
Formeln und Reaktionsgleichungen sind die Kurzschrift der Chemie. Wer sie sicher liest und aufstellt, kann Gehaltsangaben deuten, Einwaagen berechnen und Reaktionen von Arzneistoffen nachvollziehen. Diese Einheit legt dafür das Handwerkszeug.
Angaben am Elementsymbol
Um ein Elementsymbol herum können vier Zahlen stehen, und jede Ecke hat eine feste Bedeutung. Links unten steht die Ordnungszahl, also die Kernladungszahl. Links oben steht die Massenzahl. Rechts oben steht die Ladungszahl eines Ions, rechts unten der Index für die Zahl der Atome in einer Formel. Das Sulfid-Ion schreibt man so als \(\ce{^{32}_{16}S^2-}\). Was Ordnungs- und Massenzahl physikalisch bedeuten, erklärt die Einheit zu den Bausteinen des Atoms.
Summenformel aus Massenanteilen
Eine Elementanalyse liefert nur Massenanteile in Prozent. Die Formel verlangt aber das Verhältnis der Atome, also der Stoffmengen. Man teilt deshalb jeden Massenanteil durch die molare Masse des Elements:
\[n_i = \frac{w_i}{M_i}\]
Dabei ist \(w_i\) der Massenanteil des Elements \(i\), \(M_i\) seine molare Masse in g/mol und \(n_i\) die relative Stoffmenge. Am einfachsten denkt man sich 100 g Probe, dann entsprechen die Prozente direkt Gramm.
Die Verhältnisformel gibt nur das kleinste ganzzahlige Atomverhältnis an. Die Summenformel nennt die tatsächliche Zahl jeder Atomsorte im Molekül und ist ein ganzzahliges Vielfaches der Verhältnisformel.
Ein Beispiel ist ein Zucker mit 40,0 % C, 6,7 % H und 53,3 % O und \(M = 180\) g/mol:
- Stoffmengen: \(40{,}0/12{,}01 = 3{,}33\) mol C, \(6{,}7/1{,}008 = 6{,}65\) mol H, \(53{,}3/16{,}00 = 3{,}33\) mol O.
- Durch den kleinsten Wert teilen: C : H : O = 1 : 2,0 : 1.
- Ganzzahlig machen: Hier schon erfüllt. Taucht etwa 1,5 auf, multipliziert man alles mit 2.
- Verhältnisformel: \(\ce{CH2O}\) mit \(M = 30{,}03\) g/mol.
- Summenformel: \(180/30 = 6\), also \(\ce{C6H12O6}\).
Nach demselben Weg ergibt eine Verbindung aus 43,1 % Kalium, 39,2 % Chlor und 17,7 % Sauerstoff das Verhältnis 1 : 1 : 1. Es handelt sich um Kaliumhypochlorit \(\ce{KClO}\).
Reaktionsgleichungen ausgleichen
Grundlage jeder Reaktionsgleichung ist das Gesetz der Massenerhaltung: Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse gleich. Die Atome werden nur neu verknüpft. Deshalb muss jede Atomsorte links und rechts gleich oft vorkommen.
Ausgeglichen wird mit stöchiometrischen Koeffizienten. Das sind die Zahlen vor den Formeln. Sie vervielfachen die ganze Formel, etwa in \(\ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}\).
Beim Ausgleichen ändert man nur Koeffizienten, nie Indizes. Aus \(\ce{H2O}\) würde sonst ein anderer Stoff.
Bei Redoxreaktionen hilft die Änderung der Oxidationszahlen. Die abgegebenen und aufgenommenen Elektronen müssen sich decken. So geht man bei der Reduktion von Stickstoffdioxid durch Kohlenmonoxid vor:
- Oxidationszahlen: N sinkt von +IV auf 0, C steigt von +II auf +IV.
- Elektronen zählen: Jedes N nimmt 4 Elektronen auf, für ein \(\ce{N2}\) also 8. Jedes C gibt 2 Elektronen ab.
- Bilanz schließen: 8 aufgenommene Elektronen verlangen 4 CO.
- Atombilanz prüfen: Links stehen 2 N, 4 C und 8 O, rechts ebenso.
\[\ce{2 NO2 + 4 CO -> N2 + 4 CO2}\]
Komplexere Fälle mit Teilgleichungen behandelt die Einheit Redoxgleichungen aufstellen.
Quiz
Aussage 1
Im Symbol \(\ce{^{32}_{16}S^2-}\) gibt die Zahl 16 die Kernladungszahl an.
Links unten steht die Ordnungszahl, die der Kernladungszahl entspricht. Die 32 links oben ist die Massenzahl.
Aussage 2
Eine Verbindung mit der Verhältnisformel \(\ce{CH2O}\) und der molaren Masse 180 g/mol hat die Summenformel \(\ce{C6H12O6}\).
\(\ce{CH2O}\) hat etwa 30 g/mol. 180 geteilt durch 30 ergibt 6, also werden alle Indizes mit 6 multipliziert.
Aussage 3
Bei der Reaktion \(\ce{2 NO2 + 4 CO -> N2 + 4 CO2}\) nimmt jedes Kohlenstoffatom zwei Elektronen auf.
Kohlenstoff wird von +II zu +IV oxidiert und gibt je zwei Elektronen ab. Stickstoff nimmt Elektronen auf, je Atom vier.
Aussage 4
Fehlt rechts ein Sauerstoffatom, darf man zum Ausgleichen den Index in \(\ce{H2O}\) auf \(\ce{H2O2}\) erhöhen.
Indizes legen den Stoff fest. Ausgeglichen wird nur über stöchiometrische Koeffizienten vor den Formeln.
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