Reaktionsgleichungen aufstellen und ausgleichen

Bei einer chemischen Reaktion entstehen keine Atome und es verschwinden keine. Die Atome werden nur neu sortiert: Alte Bindungen brechen auf, neue entstehen. Deshalb muss auf beiden Seiten des Reaktionspfeils von jeder Atomsorte gleich viel stehen. Dieses Gesetz von der Erhaltung der Masse ist der ganze Grund, warum man Gleichungen ausgleicht – es geht nicht um Kosmetik, sondern um eine Bilanz, die stimmen muss.

Links vom Pfeil stehen die Ausgangsstoffe, rechts die Produkte. Der Pfeil bedeutet „reagiert zu“ und ist kein Gleichheitszeichen. Zahlen vor einer Formel heißen Koeffizienten und geben an, wie viele Teilchen dieser Sorte beteiligt sind. Zahlen innerhalb einer Formel gehören dagegen zum Stoff selbst und sagen, wie viele Atome ein einzelnes Teilchen enthält. In der Schreibweise mit tiefgestellten Zahlen sieht das so aus: H₂O ist ein Wassermolekül aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom, 2 H₂O sind zwei solche Moleküle.

Genau hier passiert der häufigste Fehler. Wenn ein Sauerstoffatom fehlt, ist die Versuchung groß, aus H₂O einfach H₂O₂ zu machen. Das ist verboten, denn H₂O₂ ist Wasserstoffperoxid – ein völlig anderer Stoff, ätzend statt trinkbar. Beim Ausgleichen darfst du ausschließlich die Koeffizienten vor den Formeln ändern. Die Formeln selbst stehen fest, sie ergeben sich aus dem Stoff und nicht aus deinem Rechenwunsch.

Der bereits erwähnte Fehler, Indizes statt Koeffizienten zu verändern, ist der häufigste überhaupt und entsteht meist aus Zeitdruck: Wer schnell fertig sein will, ändert die erstbeste Zahl, ohne zu prüfen, ob es sich um einen Koeffizienten oder einen Index handelt. Nimm dir deshalb bewusst die Zeit, vor jeder Änderung zu prüfen, wo genau die Zahl steht.

Ein zweiter Fehler ist das Ausgleichen in falscher Reihenfolge. Wer zuerst Wasserstoff und Sauerstoff ausgleicht und erst danach die selteneren Elemente betrachtet, verschiebt oft mühsam gefundene Zahlen wieder durcheinander. Bewährt hat sich, mit dem Element zu beginnen, das in den wenigsten Formeln vorkommt, und Wasserstoff sowie Sauerstoff, die meist in mehreren Formeln auftauchen, erst am Ende auszugleichen.

Ein dritter Fehler ist, die Kontrolle am Ende wegzulassen. Gerade bei längeren Gleichungen mit drei oder vier Stoffen schleichen sich beim Ausgleichen leicht Rechenfehler ein. Ein systematisches Durchzählen aller Atomsorten auf beiden Seiten nach dem letzten Schritt deckt solche Fehler zuverlässig auf, bevor die Gleichung als fertig gilt.

Reaktionsgleichungen sind nicht nur Papierübung, sie sagen auch voraus, welche Stoffe im Experiment entstehen und in welcher Menge. Wer vor einem Versuch die Gleichung aufstellt, erkennt frühzeitig, ob giftige, brennbare oder ätzende Produkte entstehen. Bei der Verbrennung von Methan etwa zeigt die Gleichung CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O, dass Kohlenstoffdioxid entsteht, weshalb solche Verbrennungen nur mit ausreichender Belüftung oder im Abzug durchgeführt werden.

Bei Reaktionen mit Chlor, wie 2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3, verrät die Gleichung, dass Chlorgas als Ausgangsstoff verbraucht wird. Chlor ist giftig und wird deshalb im Unterricht nur in geschlossenen Apparaturen und kleinen Mengen eingesetzt, oft unter dem Abzug, damit keine Dämpfe in den Raum gelangen.

Auch die Stöchiometrie, also die genauen Mengenverhältnisse aus den Koeffizienten, ist sicherheitsrelevant: Wird zu viel eines Ausgangsstoffs eingesetzt, kann eine Reaktion heftiger oder unkontrollierter ablaufen als geplant. Deshalb werden Chemikalienmengen im Experiment stets nach der berechneten Stoffmenge dosiert, nicht nach Gefühl.