Formeln, Darstellungen und Berechnungen

Darstellung chemischer Reaktionen

Betrachten wir die Knallgasprobe als Reaktion, diese dient als Nachweis für Wasserstoffgas.

Diese und andere chemischen Formeln und Reaktionen aus dem anfänglichen Unterricht wirst du zunächst noch als vollständige Wortgleichungen aufschreiben.

$\text{Wasserstoff} + \text{Sauerstoff} \longrightarrow \text{Wasser}$

Dies ist jedoch sehr mühselig und aufwendig, daher arbeiten die Chemiker zumeist mit Symbolen. Hierzu bedienen wir uns der Elementsymbole aus dem Periodensystem der Elemente. Mit diesen Symbolen kannst du dann Reaktionsgleichungen sehr viel kompakter aufschreiben. Die Ausgangsstoffe auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung werden addiert und hinter dem Reaktionspfeil das entstehende Produkt notiert. Das eingesetzte Verhältnis der einzelnen Atome oder Moleküle, welche für eine Reaktion benötigt werden, wird mithilfe vorgestellter Zahlen definiert. Diese Zahlen werden Stöchiometriefaktoren genannt. Anders als die Stöchiometriefaktoren definiert die tiefgestellte Zahl die Anzahl des jeweils vorangegangenen Elements innerhalb des Moleküls. An der oben beschriebenen Beispielreaktion ist demnach erkennbar, dass zwei Wasserstoffmoleküle zusammengesetzt jeweils aus zwei Wasserstoffatomen mit einem Molekül Sauerstoff zu zwei Molekülen Wasser reagieren.

$2H_2 + O_2 \longrightarrow 2H_2O$

Bei jeder erdenklichen Reaktionsgleichung entspricht die Anzahl eingesetzter Atome der Atomanzahl der Reaktionsprodukte. Dieses Naturgesetz heißt Massenerhaltungssatz. Ebenso, wie kein Atom aus der Reaktionsgleichung verschwinden darf, entspricht die Summe aller Energien der Ausgangsstoffe der der Reaktionsprodukte. Dies ist der Energieerhaltungssatz. Die Darstellung eines chemischen Stoffes wird durch die Kombination der chemischen Symbole aus dem Periodensystem und des jeweiligen Elementverhältnis durch tiefgestellte Zahlen gewährleistet.

Summenformeln und Lewisformeln

Die Darstellung eines Moleküls als Kombination der jeweiligen Elementsymbole wird Summenformel genannt. Erkennbar ist dabei nur das Verhältnis der Atome. Soll die Struktur eines Stoffes und die Anordnung der Atome beschrieben werden, bietet sich die Darstellung nach Lewis an. Hierbei wird jede Bindung zwischen den Atomen und jedes freie Elektronenpaar als Strich markiert.

Ausschlaggebend bei dieser Darstellung sind die Außenelektronen (Valenzelektronen) eines jeden Elements. Als Faustregel ist hierbei jede Struktur stabil, wenn deren Valenzschale des Atoms entweder vollständig gefüllt oder vollständig leer ist. Dies ist bei vielen Atomen genau bei acht Elektronen der Fall, daher wird dieser Sachverhalt als Oktettregel bezeichnet.

Berechnung und Anwendung der Reaktionsgleichungen

Chemische Reaktionsgleichungen werden aufgestellt und durch die Stöchiometriefaktoren ausgeglichen. Welche Menge eines Stoffes eingesetzt werden muss, um als Ergebnis eine bestimmte Menge an Reaktionsprodukt zu erhalten, lässt sich so leicht erkennen. Da unterschiedliche Moleküle eine unterscheidbare Masse besitzen, nutzt man die Teilchenzahl zur Mengenangabe. Diese wird durch die Stoffmenge $n$ als Vielfaches von $N_A=6,022 \cdot 10^{23}$ angegeben. Die Stoffmenge steht im Zusammenhang mit den Stöchiometriefaktoren. In Kombination mit der molaren Masse, also dem spezifischen Gewicht eines jeden Atoms oder Moleküls, kann die eingesetzte Masse der Edukte und die erhaltene Masse der Produkte abgeleitet werden. Weiterhin können gelöste Stoffe, die sich in einer bestimmten Menge Lösungsmittel befinden, mithilfe der Stoffmenge als Konzentration angegeben werden. Mit der Stoffmenge können leicht Berechnungen für Konzentrationen, Umsatz und Masse gemacht werden.