Eine chemische Reaktionsgleichung ist die Darstellung einer Reaktion mit den Formeln der Stoffe, bei der die Anzahl der Atome jedes Elements links und rechts gleich ist. Damit ein Schema zu einer Gleichung wird, werden vor die Formeln Koeffizienten gesetzt: Das verlangt der Massenerhaltungssatz. Hier wird erklärt, worin sich ein Schema von einer Gleichung unterscheidet, ein Schritt-für-Schritt-Algorithmus zum Aufstellen (Metall → Nichtmetall → Wasserstoff → Sauerstoff), eine Tabelle der Reaktionstypen, häufige Fehler und ein interaktiver Trainer, mit dem das Thema sofort gefestigt werden kann.
Reaktionsschema und Reaktionsgleichung: Was ist der Unterschied?
Wenn Eisen in Sauerstoff verbrennt und Eisen(III)-oxid entsteht, sieht die erste Schreibweise so aus: links die Formeln der Ausgangsstoffe, rechts die Formeln der Produkte, dazwischen ein Pfeil. Das ist das Reaktionsschema.
Ein Schema ist noch keine Gleichung. Es sagt aus, was sich wozu umwandelt, aber nicht, wie viel davon benötigt wird: Die Anzahl der Eisen- und Sauerstoffatome im linken und rechten Teil ist unterschiedlich. Nach dem Gesetz der Massenerhaltung kann das nicht sein.
Eine Reaktionsgleichung wird die Schreibweise erst dann, wenn vor den Formeln Koeffizienten gesetzt werden – Zahlen, die die Anzahl der Atome jedes Elements ausgleichen. Vergleiche die beiden Darstellungen derselben Reaktion.
| Atom | Links | Rechts |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Atom | Links | Rechts |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Gesetz der Massenerhaltung: Warum Koeffizienten benötigt werden
Das Gesetz der Massenerhaltung wurde von M. W. Lomonossow (1748) formuliert und später unabhängig von A. Lavoisier bestätigt: Die Masse der reagierenden Stoffe ist gleich der Masse der entstandenen Stoffe.
Der Grund ist einfach: Bei einer chemischen Reaktion verschwinden oder entstehen keine Atome aus dem Nichts. Alte Bindungen werden gebrochen, neue gebildet, und die Atome selbst ordnen sich nur neu an. So viele Eisenatome es vor der Reaktion gab, so viele bleiben auch danach – sie sind nur jetzt Teil eines anderen Stoffes.
Daraus ergibt sich die wichtigste Anforderung an die Gleichung: Die Anzahl der Atome jedes Elements links muss gleich der Anzahl der Atome dieses Elements rechts sein. Die einzig zulässige Methode, dies zu erreichen, ist die Wahl der Koeffizienten.
Ein Koeffizient steht vor der Formel und multipliziert alle Atome darin, einschließlich der Atome innerhalb von Klammern. Zum Beispiel bedeutet die Schreibweise \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) drei Formeleinheiten Calciumhydroxid: Es gibt 3 \(\mathrm{Ca}\)-Atome, 6 \(\mathrm{O}\)-Atome und 6 \(\mathrm{H}\)-Atome. Ein Koeffizient von 1 wird nicht geschrieben, aber impliziert.
Wie man Koeffizienten in einer Reaktionsgleichung aufstellt: Der Algorithmus
Das Aufstellen von Koeffizienten ist kein zufälliges Raten, sondern ein kurzer Prozess. Die Reihenfolge ist wichtig: Zuerst werden die Elemente ausgeglichen, die genau in einem Stoff links und einem Stoff rechts vorkommen, und erst danach Wasserstoff und Sauerstoff – sie sind normalerweise auf mehrere Stoffe verteilt und werden zuletzt angepasst.
Die Reihenfolge für die Schule merkt man sich mit der Kette: Metall → Nichtmetall → Wasserstoff → Sauerstoff. Sechs Schritte des Algorithmus – weiter unten.
Wenn in einem Schritt ein gebrochener Koeffizient entsteht (z. B. 3/2 vor einem zweiatomigen Gasmolekül), ist das kein Fehler und keine Sackgasse: Führe das Aufstellen bis zum Ende durch und multipliziere dann alle Koeffizienten sofort mit 2 – die Brüche verschwinden, das Gleichgewicht bleibt erhalten.
In höheren Klassen wird für Redoxreaktionen eine leistungsfähigere Methode hinzugefügt – die Methode der Elektronenbilanz. Sie basiert auf der Oxidationszahl, aber Austausch- und Verbindungsreaktionen werden weiterhin mit diesem einfachen Algorithmus ausgeglichen.
Warum man keine Indizes in Stoffformeln ändern darf
Das ist der häufigste Fehler bei Achtklässlern. Im Schema \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) stimmt Chlor nicht überein: links 2 Atome, rechts 1. Die Versuchung ist groß – einen Index hinzufügen und \(\mathrm{NaCl_2}\) erhalten. Die Atome stimmen formal überein, aber der geschriebene Stoff existiert nicht: Natriumchlorid hat die Zusammensetzung \(\mathrm{NaCl}\) und keine andere.
Ein Index ist Teil einer Formel. Er wird durch die Zusammensetzung des Stoffes bestimmt, d. h. durch die Wertigkeit und Oxidationszahl der Elemente, und kann nicht nach Belieben geändert werden. Wenn du den Index änderst, änderst du den Stoff selbst: \(\mathrm{H_2O}\) ist Wasser, und \(\mathrm{H_2O_2}\) ist Wasserstoffperoxid, eine ganz andere Verbindung mit anderen Eigenschaften.
Ein Koeffizient ist ein Faktor vor der Formel. Er gibt nur die Anzahl der Teilchen an, nicht deren Zusammensetzung, daher darf nur mit Koeffizienten ausgeglichen werden.
Die richtige Antwort für das obige Schema lautet: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Natrium 2 und 2, Chlor 2 und 2, die Formeln wurden nicht verändert.
Typen chemischer Reaktionen
Gleichungen werden danach klassifiziert, wie viele Stoffe reagieren und wie viele entstehen. In der Grundschule werden vier Typen unterschieden: Verbindungs-, Zerfalls-, Substitutions- und Austauschreaktionen.
Es ist nützlich, den Typ vor dem Aufstellen der Koeffizienten zu bestimmen: Er gibt Hinweise darauf, welche Stoffe im rechten Teil erscheinen und wie viele es sein werden, und hilft somit, Fehler im Schema selbst zu vermeiden.
| Reaktionstyp | Allgemeines Schema und Beispiel |
|---|---|
| Verbindung | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Zerfall | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Substitution | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Austausch | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Summe der Koeffizienten in einer chemischen Reaktionsgleichung
In Tests und Klassenarbeiten wird oft nicht die gesamte Gleichung abgefragt, sondern die Summe der Koeffizienten – das ist eine schnelle Methode, um zu prüfen, ob sie korrekt aufgestellt ist. Sie wird einfach berechnet: Alle Koeffizienten im linken und rechten Teil werden addiert.
Für die Gleichung \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) beträgt die Summe 4 + 3 + 2 = 9.
Drei Stellen, an denen man am häufigsten Punkte verliert:
- Die unsichtbare Eins zählt auch. In der Gleichung \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) sind alle drei Koeffizienten gleich 1, daher ist die Summe 3;
- Indizes zählen nicht zur Summe – nur die Zahlen vor den Formeln werden addiert;
- Koeffizienten müssen die kleinsten ganzen Zahlen sein. Die Schreibweise \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) ist atomar korrekt, aber alle Zahlen sind durch 2 teilbar, daher wird sie auf 2, 1, 2 gekürzt – und die richtige Summe ist 5, nicht 10.
Berechnungen nach chemischen Reaktionsgleichungen: Koeffizienten sind Mol
Koeffizienten sind nicht nur für den Atomausgleich da. Sie zeigen das Verhältnis der Stoffmengen (in Mol), in dem Stoffe reagieren und entstehen. Das ist die Brücke zu den Berechnungsaufgaben.
Die Gleichung \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) liest sich so: 1 Mol Stickstoff reagiert mit 3 Mol Wasserstoff und ergibt 2 Mol Ammoniak. Das Verhältnis 1 : 3 : 2 bleibt bei beliebigen Stoffmengen erhalten.
Daher die übliche Vorgehensweise bei Berechnungen nach einer Gleichung: Die gegebene Masse oder das Volumen in Stoffmenge umrechnen, nach den Koeffizienten die Stoffmenge des gesuchten Stoffes ermitteln und zurück zur Masse oder zum Volumen. Die Berechnungsaufgaben selbst sind bereits ein eigenes großes Thema, aber sie beginnen immer hier: Bei falsch aufgestellten Koeffizienten führt jede solche Berechnung zu einem falschen Ergebnis.
Beispiele für das Aufstellen von Koeffizienten
Beispiel 1. Methanverbrennung
Aufgabe: Koeffizienten im Schema \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\) aufstellen.
Schritt 1–2. Atome zählen. Links: Kohlenstoff 1, Wasserstoff 4, Sauerstoff 2. Rechts: Kohlenstoff 1, Wasserstoff 2, Sauerstoff 2 + 1 = 3.
Schritt 3. Keine Metalle im Schema – direkt zum Nichtmetall übergehen.
Schritt 4. Kohlenstoff: 1 links und 1 rechts, stimmt bereits.
Schritt 5. Wasserstoff: links 4, rechts 2 – setze Koeffizient 2 vor Wasser, rechts sind es dann 4 Wasserstoffatome. Nun Sauerstoff: rechts 2 (in \(\mathrm{CO_2}\)) + 2 (in zwei \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 Atome, links 2 – setze 2 vor \(\mathrm{O_2}\).
Schritt 6. Keine Brüche. Überprüfung: Kohlenstoff 1 und 1, Wasserstoff 4 und 4, Sauerstoff 4 und 4.
Antwort: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), Summe der Koeffizienten 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Beispiel 2. Aluminium und Schwefelsäure
Aufgabe: Koeffizienten im Schema \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\) aufstellen.
Schritt 3. Mit dem Metall beginnen. Aluminium links 1, rechts 2 – setze 2 vor \(\mathrm{Al}\).
Schritt 4. Den Säurerest \(\mathrm{SO_4}\) betrachtet man am besten als Ganzes: rechts sind es 3, links 1 – setze 3 vor \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Schritt 5. Wasserstoff: links sind es jetzt 3 · 2 = 6 Atome, also brauchst du rechts 3 Moleküle \(\mathrm{H_2}\). Sauerstoff zuletzt prüfen: links 3 · 4 = 12, rechts 3 · 4 = 12.
Schritt 6. Überprüfung aller Elemente: Aluminium 2 und 2, Schwefel 3 und 3, Sauerstoff 12 und 12, Wasserstoff 6 und 6.
Antwort: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), Summe der Koeffizienten 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Beispiel 3. Wenn ein Bruch auftritt
Aufgabe: Koeffizienten im Schema \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\) aufstellen.
Schritt 3. Metall: Eisen je ein Atom links und rechts – stimmt vorerst.
Schritt 4. Chlor: links kommen die Atome paarweise vor, rechts sind es 3. Um 3 Atome zu erhalten, brauchst du vor \(\mathrm{Cl_2}\) den Koeffizienten 3/2 – ergibt \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Die Atome stimmen überein, aber ein gebrochener Koeffizient im Ergebnis ist unüblich.
Schritt 6. Multipliziere alle Koeffizienten mit 2: Eisen 1 · 2 = 2, Chlor 1,5 · 2 = 3, Produkt 1 · 2 = 2.
Überprüfung: Eisen 2 und 2, Chlor 6 und 6.
Antwort: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), Summe der Koeffizienten 2 + 3 + 2 = 7.
Häufige Fehler beim Aufstellen von Koeffizienten
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„Ausgeglichen“ durch Änderung der Stoffformel: Um die Atome im Schema der Wasserstoffverbrennung auszugleichen, wird ein Index hinzugefügt und statt Wasser Wasserstoffperoxid erhalten.
\(\mathrm{H_2O_2}\) ist ein anderer Stoff, und die Reaktion wäre eine andere. Indizes sind unveränderlich, sie werden durch die Zusammensetzung des Stoffes bestimmt. Die richtige Antwort wird nur durch Koeffizienten erreicht: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
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Der Koeffizient wird innerhalb der Formel gesetzt: Es wird $\mathrm{Na2Cl}$ statt $\mathrm{2NaCl}$ geschrieben.
Der Koeffizient steht nur vor der gesamten Formel und bezieht sich auf den gesamten Stoff. Eine Zahl innerhalb der Formel ist bereits ein Index, also eine andere Zusammensetzung. Wenn vor der Formel nichts steht, ist der Koeffizient 1.
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Vergessen, dass der Koeffizient alle Atome der Formel multipliziert: In der Schreibweise $\mathrm{2H_2SO_4}$ werden 2 Wasserstoffatome gezählt.
Jeder Index muss multipliziert werden: In \(\mathrm{2H_2SO_4}\) gibt es 2 · 2 = 4 Wasserstoffatome, 2 · 1 = 2 Schwefelatome, 2 · 4 = 8 Sauerstoffatome. Dasselbe gilt für Klammern: In \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) gibt es 2 · 2 = 4 Stickstoffatome, 2 · 6 = 12 Sauerstoffatome.
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Beginnen mit dem Ausgleichen von Sauerstoff oder Wasserstoff.
Sauerstoff und Wasserstoff kommen in mehreren Stoffen vor, daher werden ihre Koeffizienten nach jedem weiteren Schritt durcheinandergebracht. Die Reihenfolge Metall → Nichtmetall → Wasserstoff → Sauerstoff spart Zeit: Am Ende muss nur noch ein Element angepasst werden.
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Aufgeben beim Anblick eines gebrochenen Koeffizienten oder einen Bruch im Ergebnis belassen.
Ein Bruch ist ein normales Zwischenergebnis. Führe das Aufstellen bis zum Ende durch und multipliziere dann alle Koeffizienten mit dem Nenner des Bruchs, meistens mit 2. Die Atombilanz wird dadurch nicht gestört, und die Zahlen werden ganzzahlig.
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Die Summe der Koeffizienten berechnen und dabei unsichtbare Einsen übersehen.
Ein Koeffizient von 1 wird nicht geschrieben, aber er zählt zur Summe. In der Gleichung \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) beträgt die Summe 2 + 1 + 2 = 5, nicht 4.
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Keine abschließende Überprüfung durchführen und eine Gleichung abgeben, bei der nicht jedes Element ausgeglichen ist.
Der letzte Schritt des Algorithmus ist obligatorisch: Gehe alle Elemente nacheinander durch und vergleiche die Anzahl der Atome links und rechts. Der Fehler versteckt sich meistens beim Sauerstoff, weil er zuletzt gezählt wird.
Fragen und Antworten
Worin unterscheidet sich ein Reaktionsschema von einer Reaktionsgleichung?
Ein Reaktionsschema zeigt nur, welche Stoffe reagieren und welche entstehen: Formeln links, Formeln rechts, dazwischen ein Pfeil. Es wird zur Gleichung, nachdem die Koeffizienten aufgestellt wurden, sodass die Anzahl der Atome jedes Elements links gleich der Anzahl rechts ist. Einfacher gesagt: Das Schema beantwortet die Frage „was wandelt sich wozu um“, und die Gleichung auch die Frage „wie viel“.
Was ist ein Koeffizient in einer chemischen Gleichung und wie unterscheidet er sich von einem Index?
Ein Koeffizient ist eine Zahl vor der Stoffformel, sie gibt die Anzahl der Teilchen an und multipliziert alle Atome der Formel, einschließlich der Atome in Klammern. Ein Index ist eine kleine Zahl unten rechts innerhalb der Formel, sie gibt die Zusammensetzung des Stoffes selbst an. Beim Ausgleichen werden Koeffizienten gewählt, Indizes dürfen nicht geändert werden: Wenn du einen Index änderst, erhältst du einen anderen Stoff und eine andere Reaktion.
Wie findet man die Summe der Koeffizienten in einer chemischen Reaktionsgleichung?
Zuerst die Koeffizienten korrekt aufstellen und dann alle Zahlen vor den Formeln im linken und rechten Teil addieren. Ein Koeffizient von 1 wird nicht geschrieben, zählt aber zur Summe. Indizes fließen nicht in die Summe ein. Und die Koeffizienten müssen die kleinsten ganzen Zahlen sein: Wenn sie alle durch einen gemeinsamen Faktor teilbar sind, muss die Gleichung gekürzt werden, sonst ist die Summe zu hoch.
Mit welchem Element beginnt man das Aufstellen von Koeffizienten?
Mit dem, das genau in einem Stoff links und in einem Stoff rechts vorkommt. In der Praxis ist das die Reihenfolge Metall → Nichtmetall (außer Wasserstoff und Sauerstoff) → Wasserstoff → Sauerstoff. Sauerstoff und Wasserstoff werden zuletzt behandelt, weil sie in mehreren Stoffen vorkommen und an die bereits gefundenen Koeffizienten angepasst werden.
Dürfen gebrochene Koeffizienten verwendet werden?
In Zwischenberechnungen ja, das ist eine nützliche Methode: Vor einem zweiatomigen Gasmolekül ergibt sich oft 3/2 oder 5/2. Aber im endgültigen Ergebnis müssen die Koeffizienten ganzzahlig sein, daher werden am Ende alle Koeffizienten der Gleichung mit dem Nenner des Bruchs, meistens mit 2, multipliziert. Die Atombilanz wird dadurch nicht gestört.
Welche Arten chemischer Reaktionen gibt es?
Nach der Anzahl und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Produkte werden vier Haupttypen unterschieden: Verbindungsreaktionen (aus mehreren Stoffen entsteht einer), Zerfallsreaktionen (aus einem Stoff entstehen mehrere), Substitutionsreaktionen (ein elementarer Stoff verdrängt ein Element aus einer Verbindung) und Austauschreaktionen (zwei Verbindungen tauschen ihre Bestandteile aus). Getrennt werden Reaktionen in Redoxreaktionen und Reaktionen ohne Änderung der Oxidationszahlen sowie in exotherme und endotherme Reaktionen.
Wie führt man eine Berechnung nach einer chemischen Reaktionsgleichung durch?
Die Koeffizienten der Gleichung geben das Stoffmengenverhältnis in Mol an. Die Vorgehensweise ist: Gleichung aufstellen und Koeffizienten setzen, gegebene Masse oder Volumen in Stoffmenge umrechnen, nach dem Verhältnis der Koeffizienten die Stoffmenge des gesuchten Stoffes ermitteln und diese dann zurück in Masse oder Volumen umrechnen. Wenn die Koeffizienten nicht korrekt aufgestellt sind, ist die gesamte Berechnung falsch.
Warum steht in einer Gleichung ein Gleichheitszeichen und in einem Schema ein Pfeil?
Ein Pfeil bedeutet „wandelt sich um in“ und lässt zu, dass die Atome noch nicht ausgeglichen sind. Ein Gleichheitszeichen besagt, dass beide Teile in Bezug auf die Anzahl der Atome jedes Elements tatsächlich gleich sind, also der Massenerhaltungssatz erfüllt ist, daher wird das Gleichheitszeichen erst nach dem Aufstellen der Koeffizienten gesetzt. In der Schulpraxis wird der Pfeil oft auch in der fertigen Gleichung beibehalten – das ist kein Fehler, wenn die Bilanz stimmt.
