Reaktionsgleichung zu Ammoniak?
Kann mir bitte jemand die Reaktionsgleichung von Ammoniak Schritt für Schritt erklären?
Ich weiss nicht wie man auf N2+H2--> 2NH3 kommt.
4 Antworten
Moin,
um Reaktionsgleichungen sicher aufzustellen, musst du ein bisschen was als Grundlage wissen und kannst dann schematisch folgendermaßen vorgehen.
Vorwissen:
- Es gibt in der Chemie eine eigene "Sprache", die man Formelsprache nennt.
- Formeln beschreiben entweder einzelne Atome (zum Beispiel bei Elementen), Moleküle (also Teilchen, die sich aus miteinander verbundenen Atomen zusammensetzen) oder Ionenverhältnisse (wie sie in Ionenverbindungen, Salzen, auftreten).
- Atome von Elementen werden in Form ihrer Symbole (ihrer Abkürzungen) hingeschrieben; diese Symbole findest du im Periodensystem der Elemente (PSE).
- Fast alle Elemente treten in Reaktionsgleichungen atomar auf. Das heißt, dass man (vereinfacht) davon ausgeht, dass die kleinsten Teilchen der Elemente einzelne Atome sind. Deshalb entspricht in den Reaktionsgleichungen die Formel eines Elements fast immer dem Symbol aus dem PSE. Beispiel: Das Element Natrium hat das Symbol "Na". In einer Reaktionsgleichung reagieren mehr oder weniger viele einzelne Natriumatome mit irgendeinem anderen Stoff.
- Es gibt ein paar Elemente, die nicht in einzelnen Atomen auftreten, sondern in kleinen zweiatomigen Minimolekülen. Zu diesen Ausnahmen gehören Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) sowie die Halogene Fluor (F2), Chlor (Cl2), Brom (Br2) und Iod (I2). Warum das so ist, soll hier jetzt erst einmal nicht weiter interessieren. Ich schlage vor, dass du die sieben Elemente einfach auswendig lernst. Wichtig für dich ist, dass diese sieben Ausnahmen immer eine kleine Indexzahl (siehe weiter unten) hinter dem Elementsymbol haben, wenn sie in einer Reaktionsgleichung ohne anderen Bindungspartner auftreten (also in elementarer Form vorliegen).
- Molekülformeln entstehen, wenn Nichtmetallatome über sogenannte Atombindungen (= Elektronenpaarbindungen = kovalente Bindungen) miteinander verbunden sind.
- Verhältnisformeln werden benutzt, wenn positiv geladene Ionen (Kationen) mit negativ geladenen Ionen (Anionen) über sogenannte Ionenbindungen riesige Kristalle bilden. Dann ist es nicht mehr sinnvoll, die tatsächliche Anzahl aller Ionen anzugeben, sondern das kleinste Verhältnis (also wie viele Kationen müssen mit wie vielen Anionen zusammenkommen, damit eine resultierende Formel keine Ladung unausgeglichen übrig behält). Solche Verbindungen entstehen fast immer aus der Reaktion von Metallen mit Nichtmetallen.
- Eine Indexzahl in einer Formel (das ist die kleine, tiefgestellte Zahl hinter einem Elementsymbol) bedeutet, dass sich diese Zahl nur auf das bezieht, was unmittelbar vor ihr steht. Beispiel H2O: die "2" hinter dem "H" bezieht sich ausschließlich auf das vor ihr stehende "H". Damit drückst du aus, dass das "H" zweimal pro Formel vorhanden ist. Das "O", hinter dem keine Zahl steht, ist pro Formel nur einmal vorhanden.
- Eine Zahl vor einer Formel ist ein Faktor. Er bezieht sich auf jedes Elementsymbol in der Formel bis zum Formelende. Beispiel 2 H2O: die "2" vor der Formel bedeutet, dass du insgesamt zweimal die Formel hast. Da in der Formel der Index "2" hinter dem "H" bedeutet, dass du pro Formel zweiml "H" und einmal "O" hast, verdoppelt der Faktor vor der Formel das Ganze auf zusammen 4 • "H"-Teilchen und 2 • "O"-Teilchen.
- Es gibt noch eine Reihe von Sonderzeichen. Relativ wichtige davon sind:
- der Reaktionspfeil "--->", der soviel bedeutet wie "...reagiert / reagieren zu...".
- das Pluszeichen "+", was "und" bedeutet.
- die Angabe von Zuständen der Reaktionsteilnehmer; dabei bedeuten (s) = fest (vom englischen "solid"), (l) = flüssig (vom englischen "liquid"), (g) = gasförmig (vom englischen "gaseous" oder "gas") und (aq) = in Wasser gelöst / wässrig (vom englischen "aqueous").
- Ein nach oben gerichteter Pfeil "↑" bedeutet, dass etwas "(gasförmig) aufsteigt"; ein nach unten gerichteter Pfeil "↓" bedeutet, dass etwas als "fester Niederschlag aus einer Lösung ausfällt".
Das ist das "Rüstzeug", das du brauchst, damit du überhaupt Reaktionsgleichungen aufstellen kannst. Was du nun noch brauchst, ist einfache Mathematik und das folgende Schema:
1) Aufstellen der Wortgleichung der Reaktion
Das machst du, damit du weißt, welche Stoffe (Edukte) miteinander reagieren und welche Stoffe (Produkte) dabei herauskommen. In deinem Beispiel lautet die Wortgleichung
Wasserstoff und Stickstoff reagieren zu Ammoniak.
2) Aufstellen der vorläufigen Formelgleichung
Hier übersetzt du die zuvor aufgestellte Wortgleichung in die chemische Formelsprache. Wichtig ist dabei zunächst nur das Benutzen der korrekten Formeln. Es geht noch nicht darum, wie viel du von jedem Stoff brauchst, sondern nur darum, welche Formeln die Stoffe haben. In deinem Beispiel sieht die vorläufige Formelsprache so aus:
H2 + N2 ---> NH3
Wasserstoff ist ein Element. Du findest es im PSE. Sein Symbol ist "H" (von seiner lateinischen Bezeichnung "Hydrogenium"). Aber Wasserstoff gehört zu den sieben Ausnahmen, bei denen die kleinsten Teilchen keine einzelnen Atome, sondern zweiatomige Minimoleküle sind. Deshalb ist die Formel von Wasserstoff "H2".
Ähnlich ist das beim Stickstoff. Auch Stickstoff ist ein Element, weshalb man es im PSE findet. Sein Symbol ist "N" (vom lateinischen Namen "Nitrogenium"). Auch Stickstoff gehört zu den sieben Ausnahmen, weshalb seine Formel "N2" lautet.
Ammoniak ist eine Verbindung. Deshalb findest du die Formel nicht mehr im PSE (dort stehen nur die Elemente!).
Stickstoff steht in der fünften Hauptgruppe (HG) des PSE, das heißt, dass Atome dieses Elements fünf Außenelektronen (Valenzelektronen) haben, denn die Hauptgruppennummer ist gleich der Valenzelektronenanzahl (Vorsicht: das gilt nur für die Hauptgruppen, nicht für die Nebengruppenelemente).
Wasserstoff findest du in der ersten HG, also haben Atome des Wasserstoffs ein Valenzelektron.
Wenn Atome von Elementen miteinander reagieren, dann tun sie das, um in ihrer Elektronenhülle eine Anordnung und Anzahl hinzubekommen, wie sie Edelgasatome von Natur aus haben. Diese sogenannte Edelgaskonfiguration ist energetisch nämlich besonders stabil, also günstig. Das Edelgas Helium hat genau zwei Elektronen in dem ersten Hauptenergieniveau (HEN). Daher ist die Anzahl "2" eine Edelgaskonfiguration, wenn man nur dieses eine Hauptenergieniveau besitzt.
Für die anderen HENs kannst du (vereinfacht) annehmen, dass sie mit acht Elektronen voll besetzt sind.
Nach dieser Vorstellung fehlen Wasserstoffatomen ein Elektronen, um die Edelgaskonfiguration von Helium zu erreichen, während Stickstoffatome drei Elektronen benötigen, um die Edelgaskonfiguration von Neon zu erreichen.
Wasserstoff und Stickstoff sind beides Nichtmetalle. Deshalb bilden sich zwischen ihren Atomen keine Ionenbindungen aus, weil beide Atome lieber Elektronen aufnehmen als abgeben möchten. Die Alternative ist die Ausbildung von Atombindungen. Dabei "werfen die Bindungspartner ihre Valenzelektronen (teilweise) zusammen in einen Topf" und machen daraus bindende Elektronenpaare. Diese Bindungselektronenpaare liegen dann quasi zwischen den Atomrümpfen der Bindungspartner und können von beiden Atomrümpfen gemeinsam genutzt werden. Das heißt, beide Bindungspartner können gleichzeitig für sich reklamieren, dass das bindende Elektronenpaar zu ihnen gehört. Wenn also ein Stickstoffatom auf diese Weise mit drei Wasserstoffatomen jeweils ein bindendes Elektronenpaar ausbildet, dann kann jedes der drei Wasserstoffatome für sich behaupten, dass es durch die Bindung nun über zwei Elektronen verfügt (= Edelgaszustand von Heliumatomen). Umgekehrt hat das Stickstoffatom dann acht Valenzelektronen, weil es ein freies (nichtbindendes) Elektronenpaar und drei bindende Elektronenpaare zu den drei Wasserstoffatomen für sich beanspruchen kann. Ein nichtbindendes Paar (= 2 Elektronen) und drei bindende Paare (= 6 Elektronen) macht zusammen 8 Elektronen (= Edelgaszustand von Neonatomen). Deshalb lautet die korrekte Formel von Ammoniak "NH3".
Das "und" aus der Wortgleichung wird in ein "+" übersetzt, und das "... reagieren zu..." wird zum Reaktionspfeil "--->". Et voilá, deine vorläufige Formelgleichung ist fertig. Wenn du in der vorläufigen Formelgleichung die ermittelten Formeln erst einmal als korrekt herausgefunden hast, darfst du die Formeln im nächsten Schritt NICHT VERÄNDERN...
3. Ausgleichen der vorläufigen Formelgleichung (oder Aufstellen der Reaktionsgleichung)
Es gibt in der Chemie das Gesetz zur Erhaltung der Masse. Dieses Gesetz besagt, dass bei einer chemischen Reaktion keine Masse hinzukommt und im Prinzip auch keine Masse verloren geht. Oder anders gesagt: Die Summe der Massen aller Ausgangsstoffe (Edukte) muss gleich groß wie die Summe der Massen aller Endstoffe (Produkte) sein.
Wegen dieses Gesetzes musst du nun dafür sorgen, dass von allen Elementsymbolen auf beiden Seiten des Reaktionspfeils gleich viele vorhanden sind, denn jedes dieser Elementsymbole repräsentiert ja ein Teilchen, das eine gewisse Masse hat. Und du kannst am zielsichersten dafür sorgen, dass die Massen auf beiden Seiten gleich groß wird, wenn du von allen gleichen Teilchen auf beiden Seiten gleich viele hast. Das nennt man "Ausgleichen".
Okay, in der vorläufigen Formelgleichung hattest du ja folgendes
H2 + N2 ---> NH3
Da hast du links 2 x "H" (im "H2"), rechts hast du aber 3 x "H" (im "NH3"). Um das auszugleichen, darfst du jetzt nicht einfach aus dem "H2" links ein "H3" machen, weil du damit die korrekte Formel "H2" verändern würdest. Auch aus dem als korrekt ermittelten "NH3" darfst du nicht einfach ein "NH2" machen, nur weil dir das im Sinne eines Ausgleichens gerade besser in den Kram passen würde! Wenn du die Anzahl von Elementsymbolen in Formeln verändern musst, um sie auszugleichen, darfst du das nur über Faktoren vor den Formeln regeln. Einmal als korrekt erkannte FORMELN darfst du beim Ausgleichen NICHT VERÄNDERN!
Wenn du das Ausgleichen des Ungleichgewichts beim Wasserstoff mit Hilfe von Faktoren vor den Formeln erreichen willst, brauchst du das kleinste gemeinsame Vielfache (kgV) von "2" und "3". Das kgV von "2" und "3" ist "6". Um auf diese "6" zu kommen, musst du vor die Formel "H2" den Faktor "3" schreiben, weil 3 • H2 = 6 H sind. Vor die Formel von "NH3" musst du dann entsprechend den Faktor "2" setzen, denn dann hast du auch rechts 2 • NH3 = 6 H (und 2 • N).
Dann wird aus deiner vorläufigen Formelgleichung
3 H2 + N2 ---> 2 NH3
Links hast du nun 6 • H, rechts auch. Außerdem hast du durch den Faktor "2" vor dem "NH3" auch die Anzahl des "N"s im "NH3" verdoppelt. Das trifft sich gut, denn du hattest auch links 2 x "N" (im "N2"). Somit sind nun alle Elementsymbole auf beiden Seiten des Reaktionspfeils gleich oft vorhanden. Die Reaktionsgleichung ist ausgeglichen. Im Grunde bist du nun meist mit allem schon fertig. Manchmal ist aber noch ein letzter Schritt nötig, um eine wirklich vollständige Reaktionsgleichung aufzustellen...
4. Vervollständigen der Reaktionsgleichung
Hier bringst du noch wichtige oder interessante Zusatzinformationen unter, die bestimmte beobachtbare Phänomene in der Formelsprache veranschaulichen. Dazu zählt zum Beispiel der Zustand der reagierenden Teilchen (sofern bekannt), der Einsatz von Katalysatoren (sofern bekannt) oder ob Gase aus dem Reaktionsgemisch aufsteigen oder Niederschläge aus Lösungen ausfallen (sofern bekannt). In deinem Beispiel der Ammoniaksynthese sind alle Reaktionsteilnehmer unter den gewählten Bedingungen (450°C) gasförmig. Außerdem benötigt man einen Katalysator, damit die Reaktion bei einigermaßen niedrigen Temperaturen ablaufen kann. Deshalb sieht deine vollständige Reaktionsgleichung so aus:
3 H2 + N2 ---[450°C; Katalysator]---> 2 NH3
Hierbei bleibt immer noch unberücksichtigt, dass es sich streng genommen um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, das heißt, eigentlich musst du unter den Reaktionspfeil noch einen Pfeil in die andere Richtung hinmalen, weil die Ammoniakmoleküle auch wieder in die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Stickstoff zurück reagieren.
Fazit:
- Grundlagen (auswendig) lernen und berücksichtigen.
- Aufstellen einer Wortgleichung.
- Übersetzen der Wortgleichung in eine vorläufige Formelgleichung.
- Vorläufige Formelgleichung zur Reaktionsgleichung ausgleichen.
- Zusätzliche Infos in Symbolsprache zur vollständigen Reaktionsgleichung einbauen.
Ich hoffe, dass du nun das Ganze besser bewältigst. Viel Erfolg dabei...
LG von der Waterkant
Ich brauche Stickstoff und Wasserstoff.
Das stöchiometrische Verhältnis muss ich probieren....
H² + N² ---> NH³
3H² + N² --> 2NH³
passt das? Passt.
Die Gleichung, d.h. auf beiden Seiten gleich viele Atome, muss so aussehen:
N2 + 3H2 ---> 2NH3
Industriell hergestellt wird Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Dabei wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff an einem Eisenoxid-Katalysator bei etwa 300 bar Druck und 450 °C zur Reaktion gebracht.
Ergänzung: Das Verhältnis 3 zu 1 (3 H, 1 N) ergibt sich aus den Wertigkeiten. Wasserstoff ist einwertig (gibt 1 Elektron ab), Stickstoff (5. Hauptgruppe) ist dreiwertig (nimmt 3 Elektronen auf). Ein Stickstoffatom verbindet sich somit mit drei Wasserstoffatomen.
Du musst nur die Molekülmengen ausgleichen... oder was meinst du?
Hey. Danke dir! Aber warum H3 und nicht H2. Also wertigkeit Stickstoff ist 2 Wasserstoff 2 das müsste dann doch auch nur H2 sein