Die Reaktionsgleichung und ihr Ausgleichen

Wenn man den Gasherd in der Küche anzündet, reagiert Methan ($\text{CH}_4$) mit dem Sauerstoff der Luft und wird zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Das Schema zeigt die Teilchen der einzelnen Stoffe:

Gib an, welche Stoffe bei dieser Reaktion die Edukte und welche die Produkte sind.

Ergänze den Satz mit den fehlenden Wörtern: „In einer Reaktionsgleichung heißen die Stoffe, die umgewandelt werden, $\dots$ und werden auf der $\dots$ des Pfeils geschrieben; die neu entstehenden Stoffe heißen $\dots$ und werden auf der $\dots$ geschrieben."

Nadia sagt: „Beim Verbrennen von Papier verschwindet Materie, denn die Asche wiegt viel weniger als das ursprüngliche Papier." Hat sie recht? Begründe deine Antwort und denke dabei an alle beteiligten und entstehenden Stoffe, auch die Gase.

Was bedeutet der Index $2$ in $\text{H}_2$? Und der Koeffizient $2$, der in $2\ \text{H}_2\text{O}$ davorsteht? Erkläre mit eigenen Worten den Unterschied zwischen Index und Koeffizient.

Wie viele Atome jedes Elements sind insgesamt in $3\ \text{CO}_2$ enthalten? Und in $2\ \text{H}_2\text{O}$? Die Abbildung zeigt diese Moleküle:

Erkläre, wie man die Atome zählt, wenn vor einer Formel ein Koeffizient steht.

Um die Gleichung $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$ „auszugleichen", verändert ein Schüler das Produkt und schreibt $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}_2$. Erkläre, warum dieser Trick verboten ist: Welcher Stoff ist $\text{H}_2\text{O}_2$ in Wirklichkeit und was bedeutet es, in einer Formel einen Index zu ändern?

Warum muss man chemische Gleichungen ausgleichen, bevor man sie verwendet? Nenne das Gesetz, auf dem das Ausgleichen beruht, und erkläre es in einem einfachen Satz darüber, was mit den Atomen bei einer Reaktion geschieht.

Zähle die Wasserstoff- und die Sauerstoffatome auf jeder Seite der Gleichung $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, die in der Abbildung mit Teilchen dargestellt ist, und sage, ohne sie schon zu verändern, ob sie ausgeglichen ist oder nicht. Begründe deine Antwort.

In einem geschlossenen Gefäß werden $12\ \text{g}$ Kohlenstoff mit $32\ \text{g}$ Sauerstoff vollständig verbrannt und es entsteht Kohlenstoffdioxid. Das Schema zeigt das geschlossene Gefäß vor und nach der Reaktion:

Welche Masse an Kohlenstoffdioxid entsteht? Auf welches Gesetz stützt du dich, um dies ohne Wiegen zu behaupten?

Wir stellen eine brennende Kerze in zwei Situationen auf eine Präzisionswaage:

1. a) Im Freien: Die Waage zeigt immer weniger an, während die Kerze abbrennt.
2. b) Unter einer luftdichten Glasglocke: Die Anzeige ändert sich kaum.

Die Abbildung zeigt die beiden Versuchsaufbauten:

Erkläre die beiden Ergebnisse mit dem Gesetz von der Erhaltung der Masse und begründe, ob in einem der beiden Fälle wirklich Materie „verschwindet".

Gleiche die Reaktionsgleichung für die Bildung von Wasser durch Probieren aus: $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Schreibe die Koeffizienten auf, die jeder Stoff benötigt.

Das Erdgas in vielen Haushalten ist Methan. Gleiche seine Verbrennung durch Probieren aus: $\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Gib die Koeffizienten in der Reihenfolge an, in der die Stoffe auftreten.

Ammoniak wird in der Industrie aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt und dann zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Gleiche die Gleichung aus: $\text{N}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{NH}_3$.

Das Magnesium in Wunderkerzen und Feuerwerken verbrennt mit sehr hellem weißem Licht und es entsteht Magnesiumoxid. Gleiche die Gleichung aus: $\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MgO}$.

Wenn Eisen vollständig oxidiert, entsteht Eisen(III)-oxid. Gleiche die Gleichung aus: $\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3$. Überprüfe anschließend, indem du die Atome jedes Elements auf beiden Seiten zählst.

Das Butan in Gasflaschen, $\text{C}_4\text{H}_{10}$, verbrennt mit dem Sauerstoff der Luft und bildet Kohlenstoffdioxid und Wasser.

1. a) Gleiche die Gleichung aus: $\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$.
2. b) Überprüfe, indem du die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome auf beiden Seiten zählst, dass dein Ausgleich die Erhaltung der Atome erfüllt.

Das Wasserstoffperoxid aus der Hausapotheke, $\text{H}_2\text{O}_2$, zersetzt sich langsam zu Wasser und Sauerstoff.

1. a) Gleiche die Gleichung aus: $\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$.
2. b) Auf der Flasche mit Wasserstoffperoxid steht, dass sie gut verschlossen sowie kühl und dunkel aufbewahrt werden muss. Bringe diese Hinweise mit der obigen Reaktion in Zusammenhang und erkläre, was passieren würde, wenn man sie nicht befolgte.

Die dünne Schicht, die die Aluminiumteile eines Flugzeugs vor Korrosion schützt, bildet sich, wenn das Metall mit dem Sauerstoff der Luft reagiert.

1. a) Gleiche die Gleichung aus: $\text{Al} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3$.
2. b) Erkläre, warum es beim Ausgleichen durch Probieren günstig ist, mit einem Element zu beginnen, das auf jeder Seite des Pfeils nur in einem Stoff vorkommt.

Lies die Gleichung $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$ aufmerksam und erkläre mit eigenen Worten, was sie aussagt: wie viele Moleküle jedes Stoffes reagieren und wie viele Moleküle entstehen.

Die ausgeglichene Gleichung für die Verbrennung von Methan lautet $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. Wenn $5$ Methanmoleküle verbrannt werden:

1. a) Wie viele Sauerstoffmoleküle werden verbraucht?
2. b) Wie viele Kohlenstoffdioxid- und wie viele Wassermoleküle entstehen?

In einem geschlossenen Gefäß reagieren $10\ \text{g}$ eines Stoffes A vollständig mit $5\ \text{g}$ eines Stoffes B und es entstehen $12\ \text{g}$ eines Stoffes C zusammen mit einer bestimmten Masse eines Stoffes D. Das Schema fasst die bekannten Massen zusammen:

1. a) Welche Masse von D ist entstanden?
2. b) Begründe die Rechnung, indem du das Gesetz nennst, das du angewendet hast.

Die ausgeglichene Gleichung für die Bildung von Wasser lautet $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. Jemand schlägt vor, alle Koeffizienten durch zwei zu teilen und $\text{H}_2 + \frac{1}{2}\ \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$ zu schreiben.

1. a) Wäre die Erhaltung der Atome dann noch erfüllt?
2. b) Welches Problem gibt es, wenn man von einem „halben Molekül" Sauerstoff spricht?
3. c) Begründe, warum die Koeffizienten einer ausgeglichenen Gleichung per Konvention ganze und möglichst kleine Zahlen sind.

Erkläre mit dem Teilchenmodell, was bei einer chemischen Reaktion genau mit den Atomen geschieht: was mit den Atomen der Edukte passiert, warum ihre Gesamtzahl gleich bleibt und worin sich eine chemische Reaktion vom bloßen Mischen von Stoffen unterscheidet. Veranschauliche deine Erklärung mit der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, die in der Abbildung mit Teilchen dargestellt ist:

Einige Raketen verwenden Wasserstoff als Treibstoff, der mit Sauerstoff verbrennt und Wasserdampf bildet.

1. a) Schreibe die Reaktionsgleichung auf und gleiche sie aus.
2. b) Wenn bei einem Test am Boden $100$ Wasserstoffmoleküle verbrannt werden, wie viele Sauerstoffmoleküle werden verbraucht und wie viele Wassermoleküle entstehen?
3. c) Wie viele Wasserstoffatome sind vor der Reaktion insgesamt vorhanden? Und danach? Bringe deine Antwort mit dem Erhaltungsgesetz in Zusammenhang.