Einleitende Chemie-Vorlesung & Labor

Im vorhergehenden Kapitel wurde die Verwendung von Elementsymbolen zur Darstellung einzelner Atome eingeführt., Wenn Atome Elektronen gewinnen oder verlieren, um Ionen zu erzeugen, oder sich mit anderen Atomen kombinieren, um Moleküle zu bilden, werden ihre Symbole modifiziert oder kombiniert, um chemische Formeln zu erzeugen, die diese Spezies angemessen darstellen. Die Erweiterung dieser Symbolik, um sowohl die Identitäten als auch die relativen Mengen von Substanzen darzustellen, die einer chemischen (oder physikalischen) Veränderung unterzogen werden, beinhaltet das Schreiben und Ausgleichen einer chemischen Gleichung. Betrachten Sie als Beispiel die Reaktion zwischen einem Methanmolekül (CH4) und zwei zweiatomigen Sauerstoffmolekülen (O2), um ein Kohlendioxidmolekül (CO2) und zwei Wassermoleküle (H2O) zu erzeugen., Die chemische Gleichung, die diesen Prozess darstellt, ist in der oberen Hälfte von Abbildung 1 vorgesehen, wobei raumfüllende Molekularmodelle in der unteren Hälfte der Abbildung gezeigt sind.

Dieses Beispiel veranschaulicht die grundlegenden Aspekte einer chemischen Gleichung:

1. Die Substanzen, die sich einer Reaktion unterziehen, werden Reaktanten genannt und ihre Formeln werden auf der linken Seite der Gleichung platziert.
2. Die durch die Reaktion erzeugten Substanzen werden Produkte genannt, und ihre Formeln werden auf der rechten Seite der Gleichung platziert.
3. Pluszeichen ( + ) trennen einzelne Reaktanten-und Produktformeln, und ein Pfeil (\rightarrow) trennt die Reaktanten-und Produktseite (links und rechts) der Gleichung.,
4. Die relativen Zahlen der Reaktanten – und Produktarten werden durch Koeffizienten dargestellt (Zahlen, die unmittelbar links von jeder Formel platziert werden). Ein Koeffizient von 1 wird typischerweise weggelassen.

Es ist gängige Praxis, die kleinstmöglichen Ganzzahlkoeffizienten in einer chemischen Gleichung zu verwenden, wie dies in diesem Beispiel der Fall ist. Erkennen Sie jedoch, dass diese Koeffizienten die relative Anzahl von Reaktanten und Produkten darstellen und daher als Verhältnisse korrekt interpretiert werden können. Methan und Sauerstoff reagieren im Verhältnis 1:2:1:2 auf Kohlendioxid und Wasser., Dieses Verhältnis ist erfüllt, wenn die Zahlen dieser Moleküle jeweils 1-2-1-2 oder 2-4-2-4 oder 3-6-3-6 usw. sind (Abbildung 2). Ebenso können diese Koeffizienten in Bezug auf eine beliebige Menge (Zahl) Einheit interpretiert werden, und so kann diese Gleichung auf viele Arten korrekt gelesen werden, einschließlich:

• Ein Methanmolekül und zwei Sauerstoffmoleküle reagieren, um ein Kohlendioxidmolekül und zwei Wassermoleküle zu ergeben.
• Ein Dutzend Methanmoleküle und zwei Dutzend Sauerstoffmoleküle reagieren, um ein Dutzend Kohlendioxidmoleküle und zwei Dutzend Wassermoleküle zu ergeben.,
• Ein Mol Methanmoleküle und 2 Mol Sauerstoffmoleküle reagieren, um 1 mol Kohlendioxidmoleküle und 2 Mol Wassermoleküle zu ergeben.

Ausgleichsgleichungen

Eine ausgewogene chemische is-Gleichung hat für jedes an der Reaktion beteiligte Element auf der Reaktanten-und Produktseite die gleiche Anzahl von Atomen., Dies ist eine Anforderung, die die Gleichung erfüllen muss, um mit dem Gesetz der Erhaltung der Materie im Einklang zu sein. Dies kann durch einfaches Summieren der Anzahl der Atome auf beiden Seiten des Pfeils und Vergleichen dieser Summen bestätigt werden, um sicherzustellen, dass sie gleich sind. Beachten Sie, dass die Anzahl der Atome für ein bestimmtes Element berechnet wird, indem der Koeffizient einer Formel, die dieses Element enthält, mit dem Index des Elements in der Formel multipliziert wird. Wenn ein Element in mehr als einer Formel auf einer bestimmten Seite der Gleichung erscheint, muss die Anzahl der Atome berechnet und dann addiert werden., Zum Beispiel enthalten beide Produktarten in der Beispielreaktion, CO2 und H2O, das Element Sauerstoff, und so ist die Anzahl der Sauerstoffatome auf der Produktseite der Gleichung

Die Gleichung für die Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff zur Ausbeute von Kohlendioxid und Wasser wird gemäß diesem Ansatz als ausgeglichen bestätigt, wie hier gezeigt:

{\text{CH}}_{4}+2{\text{O}}_{2}\rightarrow{\text{CO}}_{2}+2{\text{H}}_{2}\text{O}

Element	Reaktanten	Produkte	Ausgewogen?,
C	1 × 1 = 1	1 × 1 = 1	1 = 1, yes
H	4 × 1 = 4	2 × 2 = 4	4 = 4, yes
O	2 × 2 = 4	(1 × 2) + (2 × 1) = 4	4 = 4, yes

A balanced chemical equation often may be derived from a qualitative description of some chemical reaction by a fairly simple approach known as balancing by inspection., Betrachten Sie als Beispiel die Zersetzung von Wasser, um molekularen Wasserstoff und Sauerstoff zu ergeben. Dieser Prozess wird qualitativ durch eine unausgeglichene chemische Gleichung dargestellt:

{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

Der Vergleich der Anzahl der H-und O-Atome auf beiden Seiten dieser Gleichung bestätigt deren Ungleichgewicht:

Element	Reaktanten	Produkte	Ausgeglichen?,
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, no

Die Anzahl der H-Atome auf der Reaktanten-und Produktseite der Gleichung ist gleich, die Anzahl der O-Atome jedoch nicht. Um ein Gleichgewicht zu erreichen, können die Koeffizienten der Gleichung nach Bedarf geändert werden., Denken Sie natürlich daran, dass die Formel-Indizes teilweise die Identität des Stoffes definieren und diese daher nicht geändert werden können, ohne die qualitative Bedeutung der Gleichung zu ändern. Zum Beispiel würde das Ändern der Reaktantenformel von H2O zu H2O2 ein Gleichgewicht in der Anzahl der Atome ergeben, aber dies ändert auch die Identität des Reaktanten (es ist jetzt Wasserstoffperoxid und nicht Wasser). Die O-Atom-Balance kann durch Ändern des Koeffizienten für H2O auf 2 erreicht werden.,

\mathbf{2}\text{H}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

1 × 2 = 2

Element	Reactants	Products	Balanced?,
H	2 × 2 = 4	1 × 2 = 2	4 ≠ 2, no
O	2 × 1 = 2	1 × 2	2 = 2, ja

Das H-Atom-Gleichgewicht wurde durch diese Änderung gestört, kann jedoch leicht wiederhergestellt werden, indem der Koeffizient für das H2-Produkt auf 2 geändert wird.,

2{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow\mathbf{2}{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(balanced)}

Element	Reactants	Products	Balanced?,r>	H	2 × 2 = 4	2 × 2 = 2	4 = 4, ja
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja

Diese Koeffizienten ergeben eine gleiche Anzahl von H-und O-Atomen auf der Reaktanten-und Produktseite, und die ausgewogene Gleichung lautet daher:

2{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow 2{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}

Manchmal ist es zweckmäßig, Brüche anstelle von von ganzen Zahlen als Zwischenkoeffizienten im Prozess des Ausgleichs einer chemischen Gleichung., Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, können alle Koeffizienten der Gleichung mit einer ganzen Zahl multipliziert werden, um die Bruchkoeffizienten in ganze Zahlen umzuwandeln, ohne die Atombilanz zu stören., \displaystyle\frac{7}{2} wird stattdessen verwendet , um eine vorläufige ausgewogene Gleichung zu erhalten:

{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{6}+\frac{7}{2}{\text{O}}_{2}\rightarrow 3{\text{H}}_{2}\text{O}+2{\text{CO}}_{2}

Eine konventionelle ausgeglichene Gleichung mit Nur-ganzzahligen Koeffizienten wird abgeleitet, indem jeder Koeffizient mit 2 multipliziert wird:

2{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{6}+7{\text{O}}_{2} \ rightarrow 6{\text{H}}_{2}\text{O}+4{\text{CO}}_{2}

Schließlich in Bezug auf ausgewogene Gleichungen, daran erinnern, dass Konvention diktiert verwendung der kleinsten Ganzzahl Koeffizienten., Obwohl die Gleichung für die Reaktion zwischen molekularem Stickstoff und molekularem Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak tatsächlich ausgewogen ist,

3{\text{N}}_{2}+9{\text{H}}_{2} \ rightarrow 6{\text{NH}}_{3}

Die Koeffizienten sind nicht die kleinstmöglichen Ganzzahlen, die die relative Anzahl von Reaktanten-und Produktmolekülen darstellen., Die Division jedes Koeffizienten durch den größten gemeinsamen Faktor 3 ergibt die bevorzugte Gleichung:

{\text{N}}_{2}+3{\text{H}}_{2} \ rightarrow 2{\text{NH}}_{3}

Zusätzliche Informationen in chemischen Gleichungen

Die physikalischen Zustände von Reaktanten und Produkten in chemischen Gleichungen werden sehr oft mit einer Klammern Abkürzung nach den Formeln angegeben. Gängige Abkürzungen umfassen s für Feststoffe, l für Flüssigkeiten, g für Gase und aq für in Wasser gelöste Substanzen (wässrige Lösungen, wie im vorhergehenden Kapitel eingeführt)., Diese Darstellungen illustrieren die Beispiel-Gleichung hier:

2\text{Na}N\text{)}+2{\text{H}}_{2}\text{O(}l\text{)}\rightarrow 2\text{NaOH(}aq\text{)}+{\text{H}}_{2}\text{(}g\text{)}

Diese Gleichung stellt die Reaktion, die stattfindet, wenn Natrium-Metall in Wasser gelegt. Das feste Natrium reagiert mit flüssigem Wasser, um molekulares Wasserstoffgas und die ionische Verbindung Natriumhydroxid (ein Feststoff in reiner Form, aber leicht in Wasser gelöst) zu erzeugen.,

Spezielle Bedingungen, die für eine Reaktion erforderlich sind, werden manchmal durch Schreiben eines Wortes oder Symbols über oder unter den Pfeil der Gleichung bezeichnet. Beispielsweise kann eine durch Erhitzen durchgeführte Reaktion durch den griechischen Großbuchstaben delta (Δ) über dem Pfeil angezeigt werden.

{\text{CaCO}}_{3}\text{(}s\text{)}\stackrel{\Delta}{\rightarrow}\text{CaO(}s\text{)}+{\text{CO}}_{2}\text{(}g\text{)}

Weitere Beispiele für diese besonderen Bedingungen werden gefunden werden in mehr Tiefe in späteren Kapiteln.,

Gleichungen für ionische Reaktionen

Angesichts der Fülle an Wasser auf der Erde liegt es nahe, dass sehr viele chemische Reaktionen in wässrigen Medien stattfinden. Wenn Ionen an diesen Reaktionen beteiligt sind, können die chemischen Gleichungen mit verschiedenen Detaillierungsgraden geschrieben werden, die ihrem Verwendungszweck entsprechen. Um dies zu veranschaulichen, betrachten Sie eine Reaktion zwischen ionischen Verbindungen, die in einer wässrigen Lösung stattfinden., Wenn wässrige Lösungen von CaCl2 und AgNO3 gemischt werden, findet eine Reaktion statt, die wässriges Ca(NO3)2 und festes AgCl erzeugt:

Diese ausgewogene Gleichung, die auf übliche Weise abgeleitet wird, wird als molekulare Gleichung bezeichnet, da sie nicht explizit die in Lösung vorhandenen ionischen Spezies darstellt. Wenn sich ionische Verbindungen in Wasser auflösen, können sie in ihre konstituierenden Ionen dissoziieren, die anschließend homogen in der resultierenden Lösung dispergiert werden (eine gründliche Diskussion dieses wichtigen Prozesses ist im Kapitel über Lösungen vorgesehen)., In Wasser gelöste ionische Verbindungen werden daher in diesem Fall realistischer als dissoziierte Ionen dargestellt:

Im Gegensatz zu diesen drei ionischen Verbindungen löst sich AgCl in Wasser nicht signifikant auf, wie durch seine physikalische Zustandsnotation s.

Explizit alle gelösten Ionen repräsentierend ergibt sich eine vollständige ionische Gleichung., In diesem speziellen Fall werden die Formeln für die gelösten Ionenverbindungen durch Formeln für ihre dissoziierten Ionen ersetzt:

Die Untersuchung dieser Gleichung zeigt, dass zwei chemische Spezies auf beiden Seiten des Pfeils in identischer Form vorliegen, Ca2+(aq) und {\text{NO}}_{3}{}^{-}\text {(} aq\text{)}., weder chemisch noch physikalisch durch den Prozess verändert, und so können sie aus der Gleichung eliminiert werden, um eine prägnantere Darstellung zu erhalten, die als netto-ionische Gleichung bezeichnet wird:

Nach der Konvention der Verwendung kleinstmöglicher Ganzzahlen als Koeffizienten wird diese Gleichung dann geschrieben:

{\text{Cl}}^{\text{-}}\text{(}aq\text{)}+{\text{Ag}}^{+}\text{(}aq\text{)}\rightarrow\text{AgCl(}s\text{)}

Diese Netto-Ionengleichung zeigt an, dass festes Silberchlorid unabhängig von der Quelle dieser Ionen aus gelöstem Chlorid und Silber(I) – Ionen hergestellt werden kann., Diese molekularen und vollständigen ionischen Gleichungen liefern zusätzliche Informationen, nämlich die ionischen Verbindungen, die als Quellen für Cl– und Ag+verwendet werden.

---