Ionengleichung in Chemie?

Hallo, weiß jemand wie die Nr. 1 gelöst wird? Da ich krank war habe ich das AB von einem Schulkameraden, der es aber auch nicht verstanden hat...

Answer 1

[DedeM]

Moin,

ich verstehe deine Frage so, dass du nicht verstehst, wie man auf das alles kommt?! Denn die Lösung steht ja schon auf deinem Arbeitsbogen...

Okay, also alles von Anfang an. Erst ein paar Grundlagen, dann Schritt für Schritt wie es zu all den Eintragungen auf deinem Arbeitsbogen bei Aufgabe 1 kam...

Es geht um die Reaktion zwischen elementarem Aluminium und elementarem Sauerstoff. Dabei entsteht Aluminiumoxid.

Auf deinem (schulchemischen) Niveau kannst du dir merken: Metall (hier Aluminium) und Nichtmetall (hier Sauerstoff) reagieren zu einer Ionenverbindung.

Das heißt, bei dieser Reaktion entstehen Ionen. Aber wie werden aus Atomen Ionen? Nun, indem die Atome Elektronen abgeben oder aufnehmen. Da Elektronen negativ geladene Elementarteilchen sind (die in Atomen vorkommen), sollte unmittelbar einleuchtend sein, dass die Aufnahme solch negativ geladener Elektronen dazu führt, dass aus einem zuvor ungeladenen Atom nach der Aufnahme ein negativ geladenes Ion wird. Negativ geladene Ionen nennt man auch "Anionen".

Umgekehrt führt die Abgabe von Elektronen aus einem Atom zu einem postiv geladenen Ion, das man als "Kation" bezeichnet. Um das zu verstehen, musst du dir klar machen, dass es neben den negativ geladenen Elektronen auch noch positiv geladene Elementarteilchen gibt, die Protonen. Diese findet man im Kern von Atomen (neben ungeladenen Neutronen). Der "Clou" ist nun, dass es in einem ungeladenen Atom gleich viele Elektronen und Protonen gibt. Darum kompensieren sich die Plus- und Minusladungen dieser Elementarteilchen gegenseitig, so dass das Atom insgesamt ungeladen ist.

Wenn du nun aber Elektronen aus dem Atom entfernst (weil sie zum Beispiel bei einer Reaktion abgegeben werden), dann störst du das ehemalige Gleichgewicht der Ladungsträger. Die Abgabe führt dazu, dass es nun weniger negativ geladene Elektronen in der Hülle gibt, als positiv geladene Protonen im Kern. Die Anzahl der positiven Ladungsträger überwiegt also die der negativen. Darum ist das resultierende Teilchen also ein positiv geladenes Ion, ein Kation eben.

Kommen wir zurück zu deinem Beispiel: Aluminiumatome haben insgesamt 13 Elektronen in ihrer Elektronenhülle. Zwei Elektronen passen in die innerste Hülle, acht weitere in die zweitinnerste, so dass sich in der dritten Hüllschicht noch die fehlenden letzten drei Elektronen verteilen. Diese drei Elektronen befinden sich also in der äußeren Hülle. Solche Elektronen bezeichnet man daher auch als "Außenelektronen" (oder auf schlau "Valenzelektronen").

Elemente reagieren mit anderen Elementen, weil sie für ihre Atome energetisch stabilere Zustände anstreben. Nun hat sich herausgestellt, dass energetisch stabile Zustände entstehen, wenn die äußere Hülle mit Elektronen voll gefüllt ist. Vereinfacht gesagt, ist das der Fall, wenn sich in der äußeren Hülle acht Elektronen befinden (Ausnahme Wasserstoff).

Nun muss man noch wissen, dass die Abgabe von Elektronen oder deren Abgabe in etwa gleich viel Energie kostet.

Wenn man nun auf die Außenelektronen eines Aluminiumatom schaut, stellt man fest, dass Aluminiumatome fünf Elektronen aufnehmen müssten, um auf die "magische" Zahl von acht zu kommen. Das würde viel Energie kosten.

Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, eine voll besetzte Außenhülle zu erlangen: Wenn ein Aluminiumatom seine drei Außenelektronen abgeben würde, dann würde die bis dahin existierende Außenhülle wegfallen (denn es gäbe dann ja darin keine Elektronen mehr). Dann würde die zweitäußere Hülle zur äußeren, aber darin sind ja die geforderten acht Elektronen!

Es liegt wohl auf der Hand, dass es weniger Energie kostet, drei Elektronen abzugeben, als fünf aufzunehmen, oder?

Wenn also Aluminiumatome drei Elektronen abgeben, um einen stabileren Zustand zu erreichen, dann werden aus den Atomen dreifach positiv geladene Aluminiumkationen (Al^3+) werden.

Wenn man das erst einmal kapiert (und verinnerlicht) hat, kann man das auch schneller so ermitteln: Ein Blick ins Periodensystem der Elemente (PSE) zeigt, dass Aluminium in der 3. Hauptgruppe (HG) steht. 3. HG heißt 3 Valenzelektronen. 3 Valenzelektronen heißt Abgabe (weil es mehr Energie kostet, 5 Elektronen aufzunehmen). Abgabe von 3 Elektronen heißt dreifach positiv geladene Aluminiumkationen.

Umgekehrt nehmen dann die Sauerstoffatome Elektronen auf. Warum? Nun, Sauerstoff steht im PSE in der 6. HG. Das heißt, dass Sauerstoffatome sechs Valenzelektronen haben. Sie könnten diese sechs Elektronen abgeben, aber dafür bräuchte man viiieeel Energie. Stattdessen wäre die Aufnahme von "nur" zwei Elektronen viel energiesparender. Schließlich führt hier die Aufnahme von zwei Elektronen auch dazu, dass die äußeren Hülle eines Sauerstoffatoms mit acht Elektronen voll besetzt wäre.

Nun musst du noch beachten, dass die kleinsten Teilchen des Elements Sauerstoff nicht einzelne Atome (O), sondern zweiatomige Minomoleküle (O2) sind. Du benötigst für jedes dieser beiden Sauerstoffatome in dem Minimolekül zwei Elektronen, weshalb du für ein Sauerstoffmolekül (O2) insgesamt vier Elektronen aufwenden musst, um daraus zwei Oxidanionen (2 O^2–) zu machen.

Okay, nun hast du alles beisammen, um den ersten Schritt in deinem Schema nachvollziehen zu können:

1. Schritt:

Elektronenabgabe findet beim Aluminium (Al) statt.

Al ---> Al^3+ + 3 e^–

heißt soviel wie: Ein Aluminiumatom (Al) wird zu einem Aluminiumkation (Al^3+), wenn es drei Elektronen abgibt (+ 3 e^–).

2. Schritt:

Elektronenaufnahme findet bei den Sauerstoffmolekülen (O2) statt.

O2 + 4 e^– ---> 2 O^2–

bedeutet nun: Ein Sauerstoggmolekül (O2) nimmt vier Elektronen auf (+ 4 e^–), so dass daraus zwei Oxidanionen (2 O^2–) werden.

Doch nun stehst du vor einem Problem. Ein Aluminiumatom liefert bei seiner Umwandlung in ein Aluminiumkation nur drei Elektronen, aber für die Umwandlung eines Sauerstoffminimoleküls in zwei Oxidanionen brauchst du vier Elektronen.

3. Schritt:

Darum musst du dafür sorgen, dass die Anzahl abzugebender und aufzunehmender Elektronen gleich groß wird. Das erreichst du, indem du das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) von drei Elektronen (bei der Abgabe) und vier Elektronen (für die Aufnahme) suchst. Das kgV von "3" und "4" ist "12". Um also auf diese 12 Elektronen zu kommen, musst du die Aluminiumgleichung mit dem Faktor "4" multiplizieren, während du die Sauerstoffgleichung mit "3" multiplizieren musst. Dann wird aus den jeweiligen Gleichungen:

4 Al ---> 4 Al^3+ + 12 e^–

3 O2 + 12 e^– ---> 6 O^2–

4. Schritt:

Wie du jetzt an den Teilgleichungen leicht sehen kannst, stimmt die Anzahl von abgegebenen und aufgenommenen Elektronen gleich. Aber weil sie einmal rechts vom Reaktionspfeil und einmal links davon auftauchen, kannst du sie wegkürzen (darum sind sie in deiner Darstellung durchgestrichen).

5. Schritt:

Nun fasst du beide Teilgleichungen als

Elektronenübergabe zusammen:

4 Al + 3 O2 ---> 4 Al^3+ + 6 O^2–

6. Schritt:

Die Ionenschreibweise ist nun eigentlich fertig. Aber wenn du willst, kannst du am Ende die Ionen noch zu einer Formel in einer Verhältnisformel zusammenfassen. Dafür brauchst du die korrekte Verhältnisformel von Aluminiumoxid. Da Aluminium dreifach positiv geladene Kationen bildet, während Sauerstoff zweifach negativ geladene Anionen hervorbringt, werden die sechs positivien Ladungen von zwei Aluminiumkationen von den sechs negativen Ladungen dreier Oxidanionen kompensiert (kgV von "3" und "2"). Darum lautet die Verhältnisformel von Aluminiumoxid "Al2O3".

Mit dieser Erkenntnis ergibt sich die zusätzliche Reaktionsgleichung auf deinem Arbeitsbogens

4 Al + 3 O2 ---> 4 Al^3+ + 6 O^2– )> 2 Al2O3

Alles klar?

LG von der Waterkant