Reaktionsgleichungen ausgleichen: Vorgehen, Beispiele und Fehler

Atome werden neu angeordnet

Bei einer gewöhnlichen chemischen Reaktion werden Atome nicht neu erzeugt oder vernichtet. Bindungen werden verändert und die Atome zu anderen Stoffen angeordnet. Deshalb muss jede Atomsorte in der Bilanz erhalten bleiben.

Eine Wortgleichung nennt die Stoffe. Eine Formelgleichung verwendet ihre chemischen Formeln. Zum Ausgleichen müssen diese Formeln bereits zur beschriebenen Reaktion passen: Eine ausgeglichene, aber chemisch falsch angesetzte Reaktion bleibt falsch.

Du brauchst ausgeglichene Reaktionsgleichungen, um Stoffmengenverhältnisse zu bestimmen, einen Stoffverbrauch abzuschätzen oder die Produkte eines Versuchs zu kontrollieren. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert, verschwinden die Atome nicht. Sie werden neu verbunden. Die Gleichung zählt diese Atome und beschreibt das Verhältnis der reagierenden Teilchen. Sie ist aber noch keine Anleitung für die sichere Durchführung eines Versuchs und beweist allein auch nicht, dass eine vermutete Reaktion tatsächlich abläuft.

Index und Koeffizient unterscheiden

Ein Index steht tiefgestellt innerhalb der Formel und gibt die Zusammensetzung eines Teilchens oder einer Formeleinheit an. Der Koeffizient davor vervielfacht die gesamte Formel. Zwei Wassermoleküle enthalten insgesamt vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome.

Würdest du beim Wasser den Sauerstoffindex verändern, beschriebest du einen anderen Stoff. Beim Ausgleichen bleibt die Stoffidentität erhalten. Klammerindizes vervielfachen alle Atome innerhalb der Klammer.

Ein verlässlicher Ablauf zum Ausgleichen

Beginne mit den richtigen Stoffformeln. Ausgleichen kann keine falsch angesetzten Edukte oder Produkte reparieren. Danach zählst du jede Atomsorte links und rechts. Bei einer Formel mit Klammern zählt der Index hinter der Klammer für alle darin enthaltenen Atome. Eine kleine Tabelle verhindert, dass du nach mehreren Änderungen den Überblick verlierst.

Wähle möglichst zuerst ein Element, das nur in einem Stoff links und einem Stoff rechts vorkommt. Passe die Koeffizienten dieser Stoffe an und zähle erneut. Wasserstoff und Sauerstoff lassen sich bei vielen einfachen Verbrennungen günstig zuletzt ausgleichen. Das ist eine Arbeitshilfe und kein universelles Gesetz. Bleibt eine Atomgruppe auf beiden Seiten unverändert, kannst du sie vorübergehend als Einheit zählen.

Falls Bruchkoeffizienten entstehen, multiplizierst du am Schluss alle Koeffizienten mit einem gemeinsamen Nenner. Kürze anschließend auf das kleinste ganzzahlige Verhältnis. Kontrolliere zuletzt jede Atomsorte und zusätzlich die Gesamtladung. Wenn du ständig dieselbe Anpassung rückgängig machst, wechsle zu Buchstaben als Koeffizienten und stelle für jedes Element eine Bilanzgleichung auf. Dieses systematische Verfahren ersetzt das Raten.

Wenn Raten stockt: Koeffizienten berechnen

Eisen reagiert hier zu Eisen(III)-oxid. Die Stoffformeln sind vorgegeben. Setze zunächst a, b und c vor die drei Formeln. Diese Buchstaben sind gesuchte Koeffizienten und keine zusätzlichen Atome. Für Eisen verlangt die Bilanz a = 2c und für Sauerstoff 2b = 3c. Wählst du c = 2, werden alle Werte unmittelbar ganzzahlig.

Daraus folgen a = 4 und b = 3. Du könntest zunächst auch c = 1 setzen, würdest dann aber für b den Bruch 3/2 erhalten. Eine Multiplikation aller Koeffizienten mit zwei liefert dasselbe Endergebnis. Die Kontrollzählung zeigt auf beiden Seiten vier Eisen- und sechs Sauerstoffatome.

Beispiel: Wasserbildung vollständig ausgleichen

Wasserstoff und Sauerstoff liegen hier als zweiatomige Moleküle vor. Die zunächst notierte Gleichung enthält rechts zu wenig Sauerstoff. Setze zuerst zwei vor die Wasserformel. Dadurch steigt rechts auch die Wasserstoffzahl.

Die Zeichnung verwendet Bindungsstriche statt unverbundener Atomkreise. Ein Strich zwischen zwei H-Atomen steht für ein gemeinsames Elektronenpaar. Zwischen den O-Atomen liegen zwei gemeinsame Paare, deshalb erscheint eine Doppelbindung. Jedes Sauerstoffatom im O₂ besitzt zusätzlich zwei freie Elektronenpaare. Im Wasser ist Sauerstoff mit zwei H-Atomen verbunden und behält zwei freie Paare. Die gewinkelte Anordnung des Wassers ist schematisch dargestellt. Beim Ausgleichen veränderst du die Anzahl dieser vollständigen Moleküle, nicht ihren inneren Bau.

Beispiel: Vollständige Verbrennung von Ethan

Bei der vollständigen Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Gleicht man zuerst Kohlenstoff und Wasserstoff aus, bleibt Sauerstoff als letzter Schritt. Bei unvollständiger Verbrennung können andere Produkte entstehen, sodass der Ansatz geändert werden muss.

Bei Ethan empfiehlt sich die Reihenfolge Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff. Zwei C-Atome verlangen zwei CO₂-Moleküle, sechs H-Atome drei H₂O-Moleküle. Rechts stehen dann insgesamt sieben O-Atome, links benötigst du deshalb zunächst 7/2 O₂. Das ist ein rechnerischer Zwischenschritt für ein Stoffmengenverhältnis, kein halbes einzelnes Molekül. Multipliziere anschließend die gesamte Gleichung mit zwei. Beim Sauerstoff zählst du beide Produkte zusammen, statt nur einen einzelnen Term zu betrachten.

Ionen: Atome und Gesamtladung kontrollieren

Eine Ionenreaktion muss neben jeder Atomsorte auch die elektrische Gesamtladung erhalten. Ein Koeffizient multipliziert daher sowohl die Anzahl aller Atome als auch die Ladung des gesamten Ions. Bei der Bildung von Silberchlorid ergeben die Ladungen plus eins und minus eins zusammen null. Das feste Produkt ist ebenfalls insgesamt neutral.

Ein Beispiel mit Elektronenübertragung zeigt, warum Atomezählen allein nicht reicht. Eisen(II)-Ionen geben Elektronen ab, Permanganat nimmt in saurer Lösung Elektronen auf. Die beiden Teilgleichungen werden so vervielfacht, dass gleich viele Elektronen abgegeben und aufgenommen werden. Danach addierst du sie und kürzt die Elektronen. Die H⁺-Ionen gehören ausdrücklich zur sauren Lösung. Für basische Bedingungen wäre eine andere Form der Bilanz nötig.

In der Gesamtgleichung stehen links fünfmal plus zwei, einmal minus eins und achtmal plus eins: insgesamt plus 17. Rechts ergeben einmal plus zwei und fünfmal plus drei ebenfalls plus 17. Sauerstoff und Wasserstoff gleichen sich mit vier Wassermolekülen aus. Diese Kontrolle entdeckt Fehler, die eine reine Betrachtung der Eisen- und Manganatome übersehen würde.

Was die Koeffizienten aussagen

Koeffizienten beschreiben Teilchen- beziehungsweise Stoffmengenverhältnisse. Sie sind keine direkten Grammangaben. Zwei Mol Wasserstoff reagieren in der Wasserbildung mit einem Mol Sauerstoff, die Massen hängen zusätzlich von den molaren Massen ab.

Prüfe zuletzt jede Atomsorte und gegebenenfalls die Nettoladung. Kontrolliere auch, ob du alle Koeffizienten gemeinsam gekürzt hast und ob Aggregatzustände wie fest, flüssig oder gasförmig zur Aufgabe passen.

Die Stoffformel bleibt unverändert