1 · Wie viele H- und O-Atome enthält 3 H₂O?
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Sechs H-Atome und drei O-Atome.
Chemie · Grundlagen · Sekundarstufe I
Reaktionsgleichungen ausgleichen
Atome verschwinden bei einer chemischen Reaktion nicht. Lerne, die Zahlen vor den Stoffformeln systematisch zu bestimmen und jede Gleichung mit einer vollständigen Atombilanz zu prüfen.
Die wichtigste Regel
Koeffizienten ändern
Die Stoffformeln bleiben fest.
2 H₂O enthält vier H-Atome und zwei O-Atome.
Auf jeder Seite gleich viele Atome jeder Sorte
Eine Reaktionsgleichung beschreibt, welche Stoffe reagieren und welche entstehen. Links stehen die Edukte, rechts die Produkte. Ein Pluszeichen trennt verschiedene Stoffe; der Reaktionspfeil bedeutet „reagieren zu“.
Beim Ausgleichen suchst du passende Zahlen vor den Formeln. Diese heißen Koeffizienten. Am Ende müssen auf beiden Seiten gleich viele Atome jedes Elements stehen. Nur die Gesamtzahl aller Atome zu vergleichen genügt nicht: Wasserstoff und Sauerstoff müssen jeweils für sich stimmen.
Die Stoffformeln werden vorher anhand der beteiligten Stoffe festgelegt. Du darfst sie beim Ausgleichen nicht ändern. H₂O ist Wasser, H₂O₂ ist Wasserstoffperoxid. Ein zusätzlicher Index wäre deshalb ein anderer Stoff und kein zulässiger Ausgleichstrick.
Koeffizient und Index auseinanderhalten
Der tiefgestellte Index gehört zur Stoffformel und gibt die Anzahl der betreffenden Atome pro Molekül beziehungsweise das Verhältnis in einer Formeleinheit an. Ein nicht geschriebener Index bedeutet 1. In H₂O stehen deshalb zwei H-Atome und ein O-Atom.
Der Koeffizient vor einer Formel vervielfacht die gesamte Formel. 3 H₂O bedeutet drei Wassermoleküle: 3 · 2 = 6 H-Atome und 3 · 1 = 3 O-Atome. Ein Koeffizient 1 wird gewöhnlich nicht geschrieben.
Auch Klammern werden vollständig berücksichtigt. In Ca(OH)₂ kommen ein Ca-Atom, zwei O-Atome und zwei H-Atome pro Formeleinheit vor. In 2 Ca(OH)₂ sind es entsprechend zwei Ca, vier O und vier H.
Atombilanz selbst einstellen
Verändere die drei Koeffizienten von 1 bis 4. Die Formeln bleiben fest. Suche zuerst eine ausgeglichene Gleichung und danach die kleinsten ganzen Zahlen.
H₂
O₂
H₂O
1 H₂ + 1 O₂ → 1 H₂O
Wasserstoff: 2 links, 2 rechts. Sauerstoff: 2 links, 1 rechts. Noch nicht ausgeglichen.
Wasserbildung Schritt für Schritt ausgleichen
1. Formeln aufschreiben: Wasserstoff und Sauerstoff liegen hier als zweiatomige Moleküle H₂ und O₂ vor. Das Produkt ist H₂O. Der Ansatz H₂ + O₂ → H₂O ist noch nicht ausgeglichen.
2. Sauerstoff ausgleichen: Links stehen zwei O-Atome, rechts nur eines. Setze deshalb eine 2 vor H₂O. Jetzt stehen rechts zwei O-Atome, aber gleichzeitig vier H-Atome.
3. Wasserstoff nachziehen: Setze eine 2 vor H₂. Nun stehen links vier H-Atome und rechts ebenfalls vier.
4. Alles kontrollieren: H: 2 · 2 = 2 · 2 = 4. O: 1 · 2 = 2 · 1 = 2. Beide Elemente stimmen. Die kleinsten positiven ganzen Koeffizienten lauten 2 : 1 : 2.
2 H2 + O2 → 2 H2O
Die Gleichung beschreibt ein Mengenverhältnis, keine Aufforderung zum Mischen oder Zünden der Gase. Eine passende Atombilanz allein sagt zudem noch nichts über den genauen Reaktionsmechanismus aus.
Eine Reihenfolge, die Arbeit spart
Beginne möglichst mit einem Element, das auf jeder Seite nur in einer Formel vorkommt. Wasserstoff und Sauerstoff lässt man bei vielen Verbrennungsaufgaben bis zum Schluss, weil sie in mehreren Stoffen stehen können. Nach jeder Änderung werden sämtliche betroffenen Atome erneut mitgezählt.
Steht ein Element auf derselben Seite in mehreren Produkten, addierst du die Beiträge. Bei CO₂ + 2 H₂O ergeben sich 2 + 2 · 1 = 4 O-Atome. Nur auf die O₂-Formel zu schauen wäre keine vollständige Sauerstoffbilanz.
Wenn eine unveränderte Atomgruppe auf beiden Seiten vorkommt, kann man sie beim Ausgleichen vorübergehend als Gruppe zählen. Die abschließende Kontrolle sollte dennoch jedes Element berücksichtigen. Bei Ionengleichungen muss zusätzlich die elektrische Gesamtladung auf beiden Seiten übereinstimmen.
Beispiel: vollständige Verbrennung von Methan
Gegeben sind Methan CH₄, Sauerstoff O₂ sowie die Produkte CO₂ und H₂O. Zunächst gleicht man Kohlenstoff aus: Ein C links passt bereits zu einem CO₂ rechts.
Vier H-Atome links erfordern zwei H₂O rechts. Damit enthält die Produktseite nun vier O-Atome: zwei in CO₂ und zwei in den beiden Wassermolekülen. Links sind dafür zwei O₂ nötig.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Kontrolle: C = 1, H = 4 und O = 4 auf jeder Seite. Die Gleichung gilt für die vollständige Verbrennung zu den angegebenen Produkten. Bei anderen Bedingungen können andere Produkte entstehen; das Ausgleichen ersetzt nicht die korrekte Auswahl der Stoffe.
Beispiel: Aluminiumoxid und das kleinste Vielfache
Für Al + O₂ → Al₂O₃ stehen Sauerstoffatome links in Zweiergruppen und rechts in Dreiergruppen. Das kleinste gemeinsame Vielfache von 2 und 3 ist 6. Wähle deshalb links 3 O₂ und rechts 2 Al₂O₃.
Die rechte Seite enthält damit 2 · 2 = 4 Al-Atome. Links muss folglich 4 Al stehen. Die Formel Al₂O₃ bleibt dabei unverändert.
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3
Kontrolle: vier Al-Atome und sechs O-Atome auf jeder Seite. Die Koeffizienten 4, 3 und 2 lassen sich nicht durch eine gemeinsame ganze Zahl größer als 1 teilen.
Was die Koeffizienten aussagen
Die Koeffizienten geben Zahlenverhältnisse der Teilchen beziehungsweise Stoffmengen an, nicht unmittelbar Massenverhältnisse. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O bedeutet nicht „zwei Gramm Wasserstoff plus ein Gramm Sauerstoff ergeben zwei Gramm Wasser“. Für Massen braucht man zusätzlich die molaren Massen.
4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O ist ebenfalls ausgeglichen. Üblicherweise kürzt man alle Koeffizienten durch 2 auf das kleinste ganzzahlige Verhältnis. „Ausgeglichen“ und „bereits vollständig gekürzt“ sind deshalb zwei getrennte Prüfungen.
Bei Bedarf ergänzen (s), (l), (g) und (aq) die Zustände: fest, flüssig, gasförmig und in Wasser gelöst. Diese Angaben ändern nicht die Atomzahl, sind aber für die vollständige chemische Beschreibung und Energiebilanz wichtig.
Unterrichtsimpuls: Ein Fehler verändert mehrere Zahlen
Starte mit 1 : 1 : 1. Lass vor dem Erhöhen des Wasserkoeffizienten vorhersagen, welche beiden Atombilanzen sich ändern. Stelle anschließend 4 : 2 : 4 ein und frage, ob die Gleichung falsch ist. Die passende Antwort lautet: ausgeglichen, aber noch kürzbar.
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
2 · Darf H₂O beim Ausgleichen zu H₂O₂ geändert werden?
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Nein. Damit würde Wasser durch einen anderen Stoff ersetzt.
3 · Gleiche N₂ + H₂ → NH₃ aus.
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N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Beide Seiten enthalten zwei N- und sechs H-Atome.
4 · Gleiche Mg + O₂ → MgO aus.
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2 Mg + O₂ → 2 MgO. Beide Seiten enthalten zwei Mg- und zwei O-Atome.
5 · Wie viele O-Atome stehen in CO₂ + 2 H₂O?
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Vier: zwei aus CO₂ und zwei aus den beiden Wassermolekülen.
6 · Ist 4 H₂ + 2 O₂ → 4 H₂O ausgeglichen?
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Ja. Üblicherweise kürzt man aber durch 2 auf 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.
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