Reaktionsgleichungen

Hallo und herzlich willkommen. Das Thema dieses Videos lautet Reaktionsgleichungen, die man auch chemische Gleichungen nennen kann. Nach dem Video weißt du dann, was eine Reaktionsgleichung ist, welche Prinzipien beim Aufstellen einer Reaktionsgleichung berücksichtigt werden und welche zusätzlichen Informationen eine Reaktionsgleichung enthalten kann. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen: 1. was eine chemische Reaktion überhaupt ist und 2. was Elemente, Verbindungen, Atome und Moleküle sind. Wie du also sicher bereits weißt, ist eine chemische Reaktion ein Vorgang, bei dem Verbindungen in andere Verbindungen umgewandelt werden.  Zum Beispiel könnte man eine Reaktionsgleichung ganz allgemein formulieren als A+B gibt C+D. A und B, die Ausgangsstoffe, nennt man auch die Edukte und C und D, also das, was entsteht im Laufe der Reaktion, nennt man die Produkte. Selbstverständlich ist die Anzahl der Edukte und die Anzahl Produkte von Reaktion zu Reaktion unterschiedlich, das heißt, es müssen nicht immer jeweils 2 sein, das ist nur ein Beispiel. Was passiert eigentlich bei einer solchen chemischen Reaktion? Ganz einfach. Die in den Edukten enthaltenen Atome werden zu neuen Verbindungen sozusagen umgruppiert. Dabei stellt sich natürlich auch die berechtigte Frage: Warum passiert das? Nun, die Antwort darauf lautet: Das hat etwas mit der Elektronenhülle der Atomhülle zu tun, die sich irgendwie arrangieren, um eine Edelgaskonfiguration zu erreichen. Diese genauen Gründe wollen wir hier aber nicht erörtern, sondern uns einfach nur auf die Erkenntnis beschränken, dass bei einer chemischen Reaktion die Atome neu gruppiert werden. Man kann sich das vorstellen wie ein Bauwerk aus Legosteinen, das auseinandergerupft wird und zu einem neuen Bauwerk wieder zusammengesetzt wird. Das sei hier mal demonstriert anhand der Reaktion: Salzsäure reagiert mit Natronlauge zu Kochsalz und Wasser. Also HCl+NaOH->NaCl+H2O. Die Verbindung HCl besteht aus 1 Wasserstoffatom und 1 Chloratom. Natronlauge besteht aus 1 Natriumatom, 1 Sauerstoffatom und 1 Wasserstoffatom, Natriumchlorid aus 1 Natriumatom und 1 Chloratom und Wasser aus  2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom. Vergleicht man nun die linke Seite, also die Eduktseite, mit der rechten Seite, der Produktseite, sieht man, dass dieselben Atome, die links waren, auch rechts wieder auftauchen, nur in einer anderen, wie soll ich sagen, Zusammensetzung. Die Reaktionsgleichung wäre in diesem Falle tatsächlich die Gleichung, die bereits da steht, nämlich HCl+NaOH ergibt NaCl+H2O. Ganz wichtig also der Merksatz: Die linke Seite der Reaktionsgleichung umfasst genau dieselben Atome, wie die rechte Seite. Oder anders formuliert: Es entstehen keine neuen Atome im Laufe der Reaktion und es verschwinden auch keine Atome. Und das führt uns auch schon zum 1. Prinzip, das beim Aufstellen einer Reaktionsgleichung berücksichtigt werden muss. Es ist das Prinzip der Erhaltung der Masse. Es lautet: Die Masse der Edukte entspricht der Masse der Produkte. Schauen wir uns noch mal ein Beispiel an. Methan reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. An dieser Stelle ist natürlich die Frage angebracht: Woher weiß ich, dass Methan und Sauerstoff Kohlendioxid und Wasser ergeben? Die lakonische Antwort darauf lautet: Das weiß man halt. Nein, ich möchte hier nicht kaltschnäuzig wirken, sondern einfach nur feststellen, dass man, wenn man eine Reaktionsgleichung aufstellen will, die 1. Voraussetzung die ist, dass man sowohl die Edukte als auch die Produkte kennt. Dass man also weiß, was entsteht im Laufe der Reaktion. Und wenn wir das wissen, können wir die Summenformeln der Edukte und der Produkte hinschreiben. In diesem Falle: CH4 für Methan, O2 für Sauerstoff, CO2 für Kohlendioxid und H2O für Wasser. Als Nächstes gleichen wir die Reaktionsgleichung aus, indem wir die Anzahl der einzelnen Atomsorten links und rechts vergleichen. Also links haben wir 1 Kohlenstoffatom, rechts auch 1 Kohlenstoffatom. Fängt doch gut an. Als Nächstes schauen wir uns den Wasserstoff an. Links haben wir 4 Wasserstoffatome, rechts haben wir 2 Wasserstoffatome. Und als Letztes der Sauerstoff. Links haben wir 2 Sauerstoffatome und rechts 2+1, also 3 Sauerstoffatome. So, wie sie da steht, erfüllt die Gleichung also nicht das Prinzip, dass links genauso viele Atome einer jeden Sorte, wie rechts sein müssen. Es muss also etwas geändert werden. Nur was? Schauen wir uns doch mal den Wasserstoff an. Links haben wir 4 Wasserstoffatome und rechts 2 Wasserstoffatome. Wenn wir aber, statt 1 Wassermolekül, 2 Wassermoleküle entstehen lassen würden, dann hätten wir auf der rechten Seite auch 4 Wasserstoffatome. Na, dann machen wir das doch einfach so. Schreiben wir einfach eine 2 vor das Wasser. Nun zum Sauerstoff. Links haben wir 2 Sauerstoffatome, rechts haben wir nun 2+ noch mal 2 Sauerstoffatome, weil im Wasser, das ja jetzt zweifach vorhanden ist, ist ja auch 1 Sauerstoffatom enthalten. Jetzt könnten wir die Sauerstoffbilanz so ausgleichen, indem wir auf das O2 auf der Eduktseite auch eine 2 davorschreiben. So, und nun stimmt alles. Wir haben auf der linken Seite 1 Kohlenstoffatom, auf der rechten Seite 1. Wir haben auf der linken Seite 4 Wasserstoffatome, auf der rechten Seite ebenfalls, denn 2×2 ergibt 4. Und auf der linken Seite haben wir 4 Sauerstoffatome, genauso wie auf der rechten Seite, weil sowohl im CO2 sind 2 Sauerstoffatome enthalten, als auch in den beiden Wassermolekülen. Die Gleichung ist fertig. Hier noch einmal die 2 Schritte, die wir gegangen sind, um die Reaktionsgleichung korrekt aufzustellen. Der 1. Schritt besteht darin, die Edukte und Produkte hinzuschreiben, und zwar als Summenformeln. Dafür muss man natürlich wissen, welche die Edukte und welche die Produkte sind. Der 2. Schritt besteht darin, dass die Gleichung ausgeglichen wird, indem sogenannte stöchiometrische Faktoren eingefügt werden. Stöchiometrische Faktoren sind diese roten Zahlen, in unserem Beispiel die roten Zweier, die angeben, wie viele Einheiten einer Verbindung entstehen beziehungsweise benötigt werden. Ein 2. Prinzip, das beim Aufstellen von Reaktionsgleichungen eine Rolle spielt, ist das sogenannte Prinzip der Erhaltung der Ladung. Dieses Prinzip ist vor allem dann wichtig, wenn wir es mit der Reaktion von Ionen zu tun haben, also von geladenen Teilchen. Das Prinzip besagt: Die Ladung der Edukte entspricht exakt der Ladung der Produkte. Anders formuliert könnte man auch sagen: Im Laufe einer Reaktion entstehen keine zusätzlichen positiven oder negativen Ladungen. Auch das sei hier anhand eines Beispiels demonstriert. Carbonat reagiert mit Salzsäure zu Kohlendioxid, Wasser und Chlorid. Also CO32- + HCl -> CO2 + H2O + Cl-. Um die Gleichung auszugleichen, müssen wir jetzt noch ein paar stöchiometrische Faktoren einfügen, nämlich eine 2 vor das HCl, was wir daher wissen, dass wir links nur 1 Wasserstoffatom haben und rechts 2. Also wir müssen mindestens 2 Salzsäureeinheiten in die Gleichung hineinfügen. Wenn wir aber links 2 Salzsäureeinheiten haben in der Gleichung, dann müssen rechts auch notwendigerweise 2 Chloratome auftauchen, in Form von Chlorid. Also schreiben wir vor das Chlorid auch eine 2. Nun ist die Gleichung anscheinend fertig. Wichtig ist aber, dass man jetzt noch kontrolliert, ob auch die Ladungen der linken Seite denen der rechten Seite entsprechen. Links, auf der Eduktseite, haben wir auf dem Carbonation 2 negative Ladungen. Rechts finden sich ebenfalls 2 negative Ladungen, und zwar durch die beiden jeweils einfach geladenen Chloridionen. Die Ladungen links und rechts stimmen überein, also ist unsere Gleichung auch in dieser Hinsicht ausgeglichen. Tatsächlich beschränken sich die Informationen, die in einer Reaktionsgleichung enthalten sein können, nicht auf die Anzahl der Atome, sondern es können auch noch weitere Informationen darin enthalten sein. 2 davon möchte ich noch erwähnen. Das ist zum einen der Aggregatzustand der jeweiligen Edukte und Produkte und zum anderen die Energiebilanz der Gesamtreaktion.  Schauen wir uns als Beispiel die Reaktion an, die wir vorhin hatten. Die Verbrennung von Methan zu Kohlendioxid und Wasser. Möchten wir die Aggregatzustände der Edukte und Produkte in die Gleichung hineinschreiben, dann machen wir das so, dass wir unten rechts zu jeder Verbindung in Klammern ein kleines Symbol setzen: g für gasförmig, fl für flüssig, wobei sich diese Angaben auf den Standardzustand der jeweiligen Verbindung beziehen, also auf Raumtemperatur und Atmosphärendruck. Die 2. Zusatzinformation, die in einer Reaktionsgleichung häufig enthalten ist, ist die Energiebilanz. Bei unserem Beispiel ist es so, dass aus 1 Molekül Methan und 2 Sauerstoffmolekülen nicht nur 1 Kohlendioxid- und 2 Wassermoleküle entstehen, sondern auch noch Wärme entsteht, und zwar, um genau zu sein, 890 kJ, wenn man 1 mol Methan verbrennt. Diese Energiemenge würde also auf jeden Fall auf unserer Produktseite stehen, weil ja Wärme entsteht. Es gibt auch Reaktionen, die Wärme benötigen und in diesem Fall würde man die benötigte Energie auf die Eduktseite stellen, also auf die linke Seite. Tatsächlich schreibt man in der Regel die Energie, die entsteht oder benötigt wird, gar nicht in die Reaktionsgleichung hinein, sondern daneben als Zusatzangabe der Form ∆H ist gleich eine bestimmte Energiemenge. ∆H ist die sogenannte Reaktionsenthalpie, und wenn sie ein negatives Vorzeichen trägt, wie hier in diesem Beispiel, dann heißt das, dass Wärme entsteht. Trägt sie ein positives Vorzeichen, dann heißt das, dass Wärme benötigt. So und damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben gerade gelernt, was eine Reaktionsgleichung ist und wie man sie aufstellt, nämlich 1. durch die Nennung von Edukten und Produkten und 2. durch die Hinzufügung stöchiometrischer Faktoren. Des Weiteren haben wir gelernt, welche Prinzipien beim Aufstellen einer Reaktionsgleichung eine Rolle spielen, nämlich das Prinzip der Erhaltung der Masse und das Prinzip der Erhaltung der Ladung. Und weiterhin haben wir gelernt, welche Zusatzinformationen eine Reaktionsgleichung enthalten kann, nämlich zum Beispiel die Aggregatzustände von Edukten und Produkten und die Energiebilanz der Gesamtreaktion. Vielen Dank für das Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal!