Wie kann man Reaktionsprodukte logisch erschließen?
Hallo!
Ich habe eine Frage, die mich schon eine Weile beschäftigt und ich hoffe ihr könnt mr helfen.
Folgendes:
Angenommen ich lasse Stickstoff mit Wassertoff reagieren, dann erhalte ich Ammoniak.
Also:
Stickstoff + Wasserstoff ---> Ammoniak
N2 + 3 H2 ---> 2 NH3
So weit so gut. Nun habe ich folgendes Problem:
Wie kommt man eigentlich darauf, dass NH3 herauskommt?
Stellen wir das Konstrukt mal folgendermaßen auf:
Ich weiß, dass Stickstoff und Wasserstoff Molekular vorkommen, also folgt daraus:
N2 und H2.
Also habe ich:
N2 + H2 ---> ?
Ich weiß, dass Stickstoff maximal eine Dreifachbindung eingehen kann, da es 5 freibewegliche Valenzelektronen besitzt und noch 3 Elektronen für den Edelgaszustand benötigt. Wasserstoff benötigt noch 1 Elektron und hat auch nur 1 Valenzelektron. Also kann 1 Stickstoffatom maximal 3 Ein-fach-Bindungen mit Wasserstoff eingehen und somit zu NH3 reagieren. Der Rest ist ja nur ausgleichen.
So, da scheint die Frage ja selbst beantwortet zu sein? Eben nicht...
Das Problem fängt nämlich bei leicht komplexeren Reaktionen an.
Zum Beispiel:
Fe2O3 + 2 Al ---> Al2O3 + 2 Fe
Eisen(III)-oxid + Aluminium (=Thermit) ---> Aluminiumoxid + Eisen
Fangen wir wieder von vorne an:
Ich weiß also, dass ich Fe2O3 und Al reagieren lassen will, also:
Fe2O3 + Al ---> ?
Und jetzt hört es auf.
Mir ist klar, dass alle in den Edukten vorkommenden Atome auch in den Reaktionprodukten enthalten sind, aber wie diese zusammenhängen kann ich nicht SICHER erschließen. Ich weiß nur, dass Aluminium gerne als Reduktionsmittel verwendet wird und somit Eisen reduziert werden müsste. Das naheliegendste wäre, dass Eisen dann Elementar vorliegen müsste, aber ob es so ist könnte ich nicht einfach so sagen ohne nachzuschlagen.
Ganz verrückt werden dann Konstrukte, in denen Phenyle, Acetone usw. vorkommen...
Also meine Vorgehensweise wäre nun zu überlegen, welche Bindungen (auch die Anzahl) eingegangen werden können, die Elektronennegativität zu überprüfen, um zu sehen, welche Atome am ehesten eine Bindung eingehen könnten und daraus irgendwelche Schlußfolgerungen zu ziehen.
Zum Beispiel wären das dann folgende:
Aluminium hat eine Elektronennegativität (EN) von 1,5 und EIsen eine EN von 1,8. Sauerstoff hat eine EN von 3,5.
Die Differenz ist bei Sauerstoff und Aluminium am Größten und somit müsste Sauerstoff eine Verbindung mit Aluminium eingehen wollen, aber woraus zum Teufel kann ich schließen, dass Eisen dann elementar vorliegt? Weiterhin weiß ich, dass Aluminium 3 Valenzelektronen hat und eben diese 3 abgeben müsste, um einen Edelgaszustand zu erreichen. Metalle geben immer Elektronen ab.
Es wäre nett, wenn mir jemand hefen könnte.
(Falls es etwas mit der Elektronenkonfiguration zu tun hat, dann keine Sorge, die verstehe ich gut genug, um sie hier einfach reinzuwerfen ;) )
3 Antworten
N₂ + 2 H₂ ⟹ N₂H₄
N₂H₄ ist Hydrazin (H₂N–NH₂), eine wohlbekannte Verbindung, die alle Regeln von Lewis-Strichformeln und Elektronenkonfigurationen erfüllt.
Du hast nicht wirklich eine Chance, vorauszusagen, wie zwei Stoffe miteinander reagieren werden. Klar, Du kannst es wissen (das ist geschummelt) oder gut raten, indem Du auf Wissen für ähnliche Ausgangsbedingungen zurückgreifst (da kannst Du aber auch auf die Nase fallen).
Es ist möglich, eine Reaktion theoretisch zu berechnen. Im einfachsten Fall, indem man die Potentialfläche nach Minima und Sattelpunkten absucht. Will man sicherer sein, dann muß man auf dieser Potentialfläche noch eine Molecular-Dynamics-Simulation rechnen. Dazu braucht man die Schrödingergleichung, Wellenfunktionen und Basissätze und allerhand anderes Zeug, von dem Du vermutlich noch nie was gehört hat. Zusätzlich noch ordentlich Rechenpower, am besten ein paar Dutzend High-End-Prozessoren zusammengeschaltet und je nach Problemgröße rechnet man das stunden- bis monatelang. Danach braucht es Hirnschmalz, damit man entscheiden kann, ob die Rechnung vertrauenswürdig ist oder man nur Hausnummern ausgerechnet hat.
Der einfachere Weg ist es, ein Experiment zu machen und zu schauen, was herauskommt.
Diese Frage wurde unseren Professor auch schon gestellt. Die Antwort darauf war, dass Ausnahmen die Regel bestätigen. Es gibt keine Gesetzmäßigkeit, die auf Schlag erkennen lässt, was mit was zu was reagiert. Natürlich kann man eine bestimmte Anzahl an Gesetzmäßigkeiten auswendig lernen, aber mitunter ist dann doch der Rest stupides auswendig lernen.
Es gibt sehr viele Reaktionsmechanismen und allgemein Reaktionen, die auswendig gelernt werden müssen.
Wir mussten z.B. lernen, dass eben viele Nebengruppenelemente zuerst ihre s-Orbital Elektronen abgeben, bevor sie ihre d-Orbitale leeren. Das war (kann gerade kein passendes Beispiel nennen) auch nicht aus der Elektronenkonfiguration sichtbar, da hat man dann andere Zustände angenommen. Es war einfach eine Eigenart, die in der Praxis angetroffen wurde und die man akzeptieren soll.
Ja klar, wieso nicht. Es ist halt so, dass man sich nie 100% sicher sein kann. Das beste Beispiel ist Kupfer.
Kupfer kann ein Elektronen abgeben oder zwei Elektronen abgeben. Schaue ich mir die Elektronenkonfiguration an, würde ich sofort sagen, dass Kupfer nur ein Elektron abgeben würde bzw. wenn er zwei abgeben würde, ein Elektron abgeben bevorzugen würde. Dies wäre aber in der Regel nicht der Fall und Kupfer bevorzugt zwei Elektronen abzugeben. Woher soll man dies schließen? Ich habe keine Ahnung.
Beim Thermitverfahren kann ich nicht mit genauer Sicherheit sagen, wieso dort reines Eisen rauskommt (im ersten Moment hätte ich Eisenoxid gedacht). Ich denke das liegt daran, das Eisen nicht einfach durch Sauerstoff oxidiert wird, sondern eben erst Wasser dazu benötigt, damit es eben rosten kann/überhaupt zu Eisenoxid reagiert. Vielleicht wird eben durch die 2000°C noch das Wasser verdampft, was eben die Reaktion auch noch begünstigt (Eisen schmilzt ja auch).
Man lernt z.B. auch, dass bei einer Kohlenstoffkette auch sich nicht nebeneinander Iod anlagert. Dafür ist das Iodatom zu groß, als das es sich in unmittelbarer Nähe an der Kohlenstoffkette mehrfach verbindet. Dies wäre energetisch zu ungünstig.
Wichtig zu wissen ist auch, das sogut wie alle Reaktionen eben statistische Reaktionen sind.
Durch die Temperatur hast du mich auf eine neue Idee gebracht. (Ist nur eine Vermutung)
Eisen(III)-oxid schmilzt ja bei ca. 1560°C und ist zusätzlich noch zersetzlich hat aber keinen Siedepunkt dadurch. Aluminiumoxid widerum schmilzt erst bei ca. 2045°C und siedet bei ca. 3000°C und hat somit einen Siedepunkt.
Bei der Reaktion werden ja ca. 2200°C erreicht. Auch wenn beide Stoffe flüssig wären, hätte Eisen(III)-oxid nicht wirklich die Chance weiterzubestehen, da es scheinbar nicht sieden kann. Aluminiumoxid wäre aber in der Lage noch zu sieden. Eisen selber schmilzt bei ca. 1540°C und siedet bei ca. 3000°C.
Die Siedetemperaturen wären ja gleich, ist aber unwichtig, wichtig ist ja nur, dass beide sieden können. D.h. also, dass Aluminiumoxid und Eisen so oder so flüssig vorliegen würden. Bei Eisen(III)-oxid kann man nichts darüber aussagen.
Auch alle anderen Eisen(x)-oxide (I;II;III;II,III) haben keinen Siedepunkt. Ich würde daraus schlußfolgern, dass keine Eisenverbindung entsteht.
Naja, im Endeffekt ist das aber keine allgemeine Erklärung für alles ^^, da das ja bedeuten würde, dass die Stoffe, die keinen Siedepunkt haben gar nicht entstehen könnten...
Im Fall Eisen/Aluminium könnte man wohl auch aus den Redoxpotentialen schließen, was passiert http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemische_Spannungsreihe - Aluminium ist "unedler" als Eisen und verdrängt daher das Eisen eher aus den Verbindungen, umgekehrt würde das nie passieren. Allerdings gibt's auch da Ausnahmen, eben wenn z.B. bei großer Hitze ein Produkt den Reaktionsraum verläßt.
Wenn Du keine Vorkenntnisse hast, dann musst Du so vorgehen wie die Chemiker früher oder z.T. auch heute noch: Man macht ein Experiment und analysiert die entstandenen Produkte.
Je mehr man sich mit der Chemie befasst hat, desto mehr kann man Aussagen darüber machen welches Produkt bzw. Produkte entstehen, wenn man bestimmte Edukte bei bestimmten Bedingungen miteinander zur Reaktion bringt.
Ja das mit der Elektronenkonfiguration kenne ich zu gut ^^.
Aber im Endeffekt würde das ja bedeuten, dass man tausende Formeln auswendig lernen müsste...
Da muss es doch irgendwas geben. Wäre aber meine Überlegung oder meine Vorgehensweise deiner Meinung nach akzeptabel, um zu Ergebnissen zu kommen oder würdest du sagen, dass das nur stupides herumprobieren ist?