Chemie..... von Anfang an - Chemische Zeichensprache

Wie kann man beweisen, dass die Ausgangsstoffe in einem bestimmten Zahlenverhältnis bei der chemischen Reaktion miteinander reagieren?

Man nimmt gleiche Teile von Zink (als graues Pulver) und Schwefel (als gelbes Pulver) und mischt sie. Beim Erhitzen kommt es zu einer Reaktion. 
a) Gleich viel Zink wie Schwefel (Gramm): Die Reaktion ist nicht besonders heftig
b) Doppel so viel Zink wie Schwefel (Gramm): Die Reaktion verläuft sehr heftig.  Folgerung: Nur hier verläuft die Reaktion optimal und es bleibt kein Rest zurück

Warum reagieren Zink und Schwefel im Verhältnis 2 : 1  ?

Das Zinkatom hat eine Masse, die doppelt so groß ist wie die vom Schwefelatom. - Weil aber bei der chemischen Reaktion immer ein Zinkatom mit einem Schwefelatom zu Zinksulfid reagiert, braucht man doppelt so viel Zink wie Schwefel.

Zn + S  -->  ZnS 

Wie nennt man das Naturgesetz, dass die Ausgangsstoffe bei der chemischen Reaktion in einem ganz bestimmten Massenverhältnis miteinander reagieren?

Das nennt man das Gesetz der konstanten Massenverhältnisse

(konstant = gleich bleibend)

Man mischt 40 ml Wasserstoff und 40 ml Sauerstoff miteinander. Was stellt man fest, wenn die chemische Reaktion zwischen beiden Elementen stattfindet?

Es bleiben genau 20 ml Sauerstoff übrig!

Das ist deshalb so, weil Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2 : 1 reagieren. Man benötigt also doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff.

Also reagieren 40 ml Wasserstoff mit 20 ml Sauerstoff. Wenn man aber 
40 ml Sauerstoff hat, so bleiben 20 ml Sauerstoff übrig

60 ml Wasserstoff reagieren mit 10 ml Sauerstoff. Was stellt man fest?

Sauerstoff reagiert immer mit der doppelten Menge Wasserstoff. Also reagieren 10 ml Sauerstoff mit 20 ml Wasserstoff.

Hat man aber 60 ml Wasserstoff, so bleiben 40 ml davon ungenutzt übrig

Was versteht man unter der Wertigkeit eines Elements?

Das ist eine Zahl, die dazu dient zu berechnen, wie viele Atome man von jedem der Elemente, die miteinander reagieren, braucht, damit eine Verbindung (= der neue Stoff) entsteht.

Die Wertigkeit wird in römischen Ziffern angegeben I  II   III   IV ....

Die Wertigkeit von Sauerstoff ist II, die Wertigkeit von Stickstoff ist III und die von Kohlenstoff ist IV.

Wie kommt man auf diese Wertigkeitszahlen?

Ein Sauerstoffatom kann sich mit zwei Wasserstoffatomen verbinden, also ist die Wertigkeit von Sauerstoff II.
Ein Stickstoffatom kann sich mit drei Wasserstoffatomen verbinden, also ist die Wertigkeit von Stickstoff III
Ein Kohlenstoffatom kann sich mit vier Wasserstoffatomen verbinden, also ist die Wertigkeit von Kohlenstoff iV

Phosphor hat die Wertigkeit V  (fünf) und Sauerstoff hat die Wertigkeit II (zwei). Wie findet man heraus, wie viele Atome vom Phosphor und wie viele vom Sauerstoff nötig sind, um ein neues Molekül der entstehenden Verbindung zu bilden?

Das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) der Wertigkeitszahlen V und ii ist die Zahl 10.  Wenn man das kgV = 10 durch die beiden Wertigkeiten dividiert, erhält man die Anzahl der Atome im Molekül.

Phosphor:  10  : 5  ist zwei. Also braucht man zwei Phosphoratome
Sauerstoff:  10 : 2  ist fünf.  Also braucht man fünf Phosphoratome

Formel des Moleküls   P₂O₅

Stickstoff hat die Wertigkeit III.  Wasserstoff hat die Wertigkeit I.
Wie lautet die Formel der Verbindung beider Elemente?

N₁H₃

kgV der Wertigkeiten ist hier 3

Stickstoff:  3 : III =  1     Wasserstoff:  3: 1 = 3

Wie kann man die Formel N₁H₃ einfacher schreiben?

Wie heißt diese Verbindung?

Das ist die Formel von Ammoniak  (stechend riechendes Gas - entweicht aus Mist, der von Bakterien zersetzt wird und aus Jauche)

Man kann auch NH₃ schreiben

In einer Formel kann man die tiefgestellte 1 weglassen

Reaktionsgleichung der Bildung von Ammoniak aus den Elementen

Was ist hierbei der erste Schritt?

N   +   3 H   --> NH₃

Wie viele Atome werden von jedem Element benötigt, um das entstehende Molekül zu bilden. 

Reaktionsgleichung der Bildung von Ammoniak aus den Elementen

Vorläufige Reaktionsgleichung:  N  + 3 H --> NH₃

Was ist hierbei der zweite Schritt?

Stickstoff und Wasserstoff sind gasförmige Elemente. Sie kommen als zweiatomige Moleküle vor, also muss man bei allen gasförmigen Elementen unter das Symbol eine tiefgestellte "2" schreiben

N₂ + 3 H₂  --> NH₃

Die Reaktionsgleichung der Reaktion Stickstoff und Wasserstoff ist nach dem dritten Schritt noch nicht fertig.

Sie lautet: N₂ + 3 H₂  --> NH₃

Was muss man jetzt im vierten Schritt tun?

Links vom Pfeil ("gibt"), also bei den Ausgangsstoffen stehen insgesamt zwei Stickstoffatome und 6 Wasserstoffatome. - Damit kann man aber nicht nur ein Molekül NH₃ herstellen, sondern zwei

Also heißt die Reaktion jetzt   N₂ + 3 H₂  --> 2 NH₃

Reaktionsgleichung der Reaktion Phosphor (V) und Sauerstoff (II) in fünf Schritten?

Erster Schritt:  Formel des entstehenden Stoffs finden
P  + O  ergibt  P₂O₅
Zweiter Schritt: Aufschreiben wie viele Atome man für ein Molekül 
der entstehenden Verbindung braucht
2 P  +  5  O  ergibt P₂O₅
Dritter Schritt: Bei gasförmigen Elemente eine tiefgestellte 2 schreiben
2 P  +  5  O₂ ergibt  P₂O₅
Vierter  Schritt:  Herausfinden, wie viele Moleküle man mit den auf der linken Seite insgesamt stehenden Atomen machen kann.
2 P  +  5  O₂   ergibt 2 P₂O₅
Fünfter Schritt:  Linke und rechte Seite ausgleichen - es müssen gleich viele Atome auf beiden Seiten vorhanden sein
4 P  + 5 O₂  -->  2 P₂O₅
Das ist dann die fertige Reaktionsgleichung

Reaktionsgleichung der Reaktion von Magnesium (Mg  Wertigkeit II ) und Stickstoff (N Wertigkeit III)  in fünf Schritten?

Erster Schritt: Formel vom Molekül?
Mg  +  N   gibt  Mg₃N₂
Zweiter Schritt:  Wie viele Atome braucht man dafür?
3 Mg + 2 N gibt Mg₃N₂
Dritter Schritt: Beim gasförmigen Elemente die tiefgestellte 2 schreiben
3 Mg + 2 N₂ gibt Mg₃N₂
Vierter Schritt: Herausfinden wie viele Moleküle auf der rechten Seite entstehen
3 Mg + 2 N₂ gibt 2 Mg₃N₂
Fünfter Schritte:  Atome ausgleichen (Rechts und links von jedem Element gleich viele)
6 Mg + 2 N₂ --> 2 Mg₃N₂
 

Was ist die Maßeinheit für die Masse der Atome?

Das ist die Atommasseneinheit oder "unit"
Die Abkürzung davon ist "u" 
1 u ist die Masse von einem Wasserstoffatom 
Es ist das leichteste Atom überhaupt
Kohlenstoff hat die Atommasse 12 u, ist also zwölfmal schwerer als Wasserstoff

Welche Masse hat ein Wassermolekül?

H₂O  bedeutet: 2 Wasserstoffatome verbunden mit einem Sauerstoffatom

2 Wasserstoffatome = 2 * 1 u  = 2 u
1 Sauerstoffatom = 1 * 16 u = 16 u

Alles zusammen ist 18 u

Maßeinheiten kann man durch einen Umrechnungsfaktor in andere Maßeinheiten umrechnen. Beispiel:  3 kg  muss man mit 1000 multiplizieren, um diese Masse in Gramm auszudrücken 3000 g.

Was ist der Umrechnungsfaktor von u  in Gramm (g)?

Das ist die Avogadrozahl N_A

Das ist 6,023.. mal 10²³

5 g  ist also 5 mal 6,023 * 10²³  =   30,115 * 10²³  g

Welche Masse haben 6,023 * 10²³  Stickstoffatome?

14 u  mal 6,023 * 10²³  =  14 g

weil 6,023 * 10²³ g  = 1 g

Wie nennt man die Masse von 6,023 * 10²³ Atomen eines Elements?

Das nennt man 1 Mol des Elements

ein Mol Stickstoff ist also 14 g

ein Mol Wasserstoff ist 1 g

ein Mol Sauerstoff ist 16 g