1.2 Symbol- und Formelsprache, Bildung von Reaktionsgleichungen

1.2.1 Symbol- und Formelsprache

Als Gundlage zur Formelbildung dienen die Elementsymbole aus dem Periodensystem der Elemente. Ein Elementsymbol symbolisiert die Atomart eines Elements, z.B. Na = Natriumatom. Dieses Atomsymbol steht gleichzeitig für ein Atom des jeweiligen Elements.

  •    Na = 1 Natrium-Atom
  • 2 Na = 2 Natrium-Atome

Elemente können jedoch aus verschiedenen kleinsten Teilchen bestehen. Die kleinsten Teilchen der Metalle sind Atome, wonach weiterhin das Elementsymbol Na für ein Natrium-Atom steht. Nichtmetalle können aus verschiedenen Teilchen bestehen:

  • Edelgase existieren in Form einzelner Atome (z.B. He = 1 He-Atom)
  • gasförmige, flüssige und leicht flüchtige nichtmetallische Elemente bestehen aus Molekülen, die je nach Stoff aus einer bestimmten Anzahl von Atomen aufgebaut sind (z.B. O, S8)

Elemente die immer im stabilen diatomaren Zustand – also als Molekül – vorkommen, sind in der folgenden Eselsbrücke enthalten: \(H_2\) \(O_2\) \(N_2\) \(Cl_2\) \(Br_2\) \(I_2\) \(F_2\)

Die Anzahl der Atome eines Moleküls wird als tiefgestellte Zahl hinter dem jeweiligen Atomsymbol angegeben.

Atomsymbole können zu chemischen Formeln zusammengefügt werden, wie Buchstaben zu Wörtern. Chemische Formeln beschreiben die Zusammensetzung von Reinstoffen aus ihren kleinsten Teilchen.

  • Kohlenstoffdioxid = CO2   (Molekular gebauter Stoff aus Molekülen)
  • Für gasförmige, flüssige und leicht flüchtige Stoffe verwendet man Molekülformeln, in denen Zahlenverhältnis der beteiligten Atome deutlich wird: CO2 – 1:2, H2O – 2:1, H2O2 – 2:2
  • Natriumchlorid = NaCl   (Metall/Nichtmetall-Verbindugn = Salz aus Ionen)
    Für salzartige Stoffe verwendet man Verhältnisformeln, in denen das Atomanzahlverhältnis der beteiligen Ionen sichtbar wird: NaCl – 1:1, MgCl2 – 1:2,Cu2S – 2:1

1.2.2 Die Wertigkeit als Hilfsmittel zur Formelermittlung

Verhältnisformeln und Molekülformeln lassen sich vorhersagen. Als Ausgangspunkt dient der experimentelle Befund, dass ein H-Atom jeweils nur eine einzige Bindung mit anderen Atomen eingehen kann.

Das Element Wasserstoff steht in der ersten Periode des Periodensystems, das heißt es besitzt nur eine Elektronenschale in der Atomhülle. Seine Stellung in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems deutet auf nur ein Valenzelektron auf der Außenschale hin. Diese wäre bereits mit zwei Elektronen voll besetzt und würde damit Edelgaskonfiguration (besonders stabiler, energiearmer Zustand) erreichen. Um diese Edelgaskonfiguration zu erhalten muss bzw. kann das H-Atom also nur noch ein Elektron aufnehmen und damit nur eine Bindung ausbilden. Es ist einbindig oder einwertig.

Wertigkeit = Anzahl der gebundenen Wasserstoff-Atome

Beim Vergleich von Molekülen verschiedener Wasserstoffverbindungen wird deutlich, dass je nach Atomart unterschiedlich viele H-Atome gebunden werden können: HCl, HO, NH3, CH4

Bedenkt man, dass alle Elemente eines Moleküls Edelgaskonfiguration  auf der Außenschale der Atomhülle anstreben (8 Valenzelektronen, ab der zweiten Periode), so kann man sich die Wertigkeit der beteiligten Elemente aus den Molekülformeln erschließen. Die Hauptgruppe eines Elements gibt ebenfalls Aufschluss über die Anzahl der Bindungen die ein Elementatom ausbilden kann. Chlor ist einwertig (VII. Hauptgruppe, 7 Valenzelektronen), Sauerstoff zweiwertig (VI. Hauptgruppe, 6 Valenzelektronen), Stickstoff dreiwertig (V. Hauptgruppe, 5 Valenzelektronen) und Kohlenstoff vierwertig (IV. Hauptgruppe, 4 Valenzelektronen).

Aus den Verhältnisformeln der Salze kann man ebenfalls auf die Wertigkeit schließen. Hier gibt die Hauptgruppe der Metalle und Nichtmetalle die Ionenladung an. Natriumatome der ersten Hauptgruppe bilden einfach positiv geladene Natrium-Ionen (Na+), Chloratome der siebenten Hauptgruppe bilden einfach negativ geladene Chlorid-Ionen (Cl–). So bilden diese Ionen das Salz Natriumchlorid (NaCl) im Verhältnis 1:1. Das Magnesium-Ion (Mg2+) in der zweiten Hauptgruppe bildet zusammen mit Chlorid-Ionen (Cl–) das Salz Magnesiumdichlorid (MgCl2) im Verhältnis 1:2.

Von der Wertigkeit zur Formel:

  1. Ein vierwertiges C-Atom kann 4 einwertige Cl-Atome binden. ⟶ CCl4 (Tetrachlorkohlenstoff)
  2. Zweiwertige O-Atome können 4 H-Atome im CH4-Molekül ersetzen. ⟶  CO2
  3. Ermittlung der Wertigkeiten von Metallatomen: durch die Betrachtung geeigneter Verbindungen mit Atomen bekannter Wertigkeit die durch Metallatome ersetzt sind (z.B. HCl ⟶ NaCl).
  4. Einige Atomarten können je nach Bindungspartner unterschiedliche Wertigkeiten aufweisen (z.B. CH4, CO2; Cu2O, CuO).
  5. Die Wertigkeit der Metallatome wird im Namen der Verbindung als römische Zahl in Klammern angegeben (z.B. Cu2O ⟶ Kupfer(I)-oxid, CuO ⟶ Kupfer(II)-oxid)

1.2.3 Bildung von Reaktionsgleichungen

Mit chemischen Formeln können Reaktionsgleichungen aufgestellt werden, nach folgendem Reaktionsschema:

Ausgangsstoffe (Edukte) ⟶  Endstoffe (Produkte)

Anstatt Reaktionsschemata verwendet man als Kurzform die Formel der Elemente und Verbindungen:

  • Metallatom  +  Nichtmetallmolekül ⟶ Salz aus Ionen

2 Na  +  Cl2 ⟶ 2 NaCl

  • Nichtmetallmolekül  +  Nichtmetallmolekül ⟶ Nichtmetallmolekül

C  +  CO2 ⟶ CO2

Eine chemische Reaktion ist eine Stoffumwandlung die durch eine Umgruppierung von Atomen / Ionen stattfindet. Die Atome / Ionen der Ausgangsstoffe werden getrennt und im Reaktionsprodukt neu angeordnet. Aus Reinstoffen mit spezifischen Eigenschaften entsteht ein neuer Reinstoff mit neuen charakteristischen Eigenschaften.

Beim Erstellen von Formeln und Reaktiongleichungen sind wichtige Gesetzmäßigkeiten einer chemischen Reaktion zu beachten:

  1. Gesetz von der Erhaltung der Masse„Bei chem. Reaktionen ist die Masse der Endstoffe gleich die Masse der Ausgangsstoffe.“Das heißt, das die auf Seiten der Ausgangsstoffe in die Reaktion eingeflossene Teilchenanzahl auch auf Seiten der Reaktionsprodukte wieder erscheinen muss. Es geht kein Teilchen verloren!
  2. Gesetz der konstanten Massenverhältnisse„In einer Verbindung sind die Elemente stets in einem bestimmten Massenverhältnis enthalten.“

Das heißt, die in einem bestimmten Stoff enthaltenen Elemente sind stets im gleichen Zahlenverhältnis in der zugehörigen Verhältnis- oder Molekülformel enthalten. Nur so kommen die für diesen Stoff charakteristischen Eigenschaften zustande.

Schritte zum Aufstellen einer Reaktionsgleichung:

  1. Aufstellen des Reaktionsschemas:

Kupfer  +  Iod  ⟶  Kupferiodid

 

  1. Einsetzen der korrekten Formeln bzw. der Elementsymbole:

Cu  +  I2 ⟶  CuI

Hinweis: tiefgestellten Zahlen in den Formeln dürfen bei weiteren Schritten nicht verändert werden!

 

  1. Teilchenausgleich auf der Seite der Endprodukte:

Cu  +  I2 ⟶  2 CuI

 

  1. Teilchenausgleich auf der Seite der Ausgangsstoffe:

2 Cu  +  I2 ⟶ 2 CuI

Faktor 1 wird in der Regel weggelassen!

 

  1. Angabe der Aggregatzustände:

2 Cu (s)  +  I2 (g) ⟶ 2 CuI (s)

Abkürzungen für die Aggregatzustände von Stoffen: s (engl. solid): fest,  l (engl. liquid): flüssig,  g (engl. gaseous): gasförmig, aq (engl. aqueous): in Wasser gelöst

 

  1. Angabe des Energieumsatzes:

2 Cu (s)  +  I2 (g) ⟶ 2 CuI (s)  ;  exotherm

Jede chemische Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden! Der Energieumsatz wird in der Reaktionsgleichung durch die Begriffe exo- und endotherm angegeben (exotherm = Energie wird abgegeben, endotherm = Energie wird aufgenommen).

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