Chemische Reaktionen

Durch eine chemische Reaktion findet die Umwandlung von einem oder mehreren Ausgangsstoffen, den sogenannten Edukten, statt. Es entstehen neue Verbindungen, die sogenannten Produkte. Im Zuge dieser Umwandlung geht gemäß dem Massenerhaltungsgesetz kein Reaktionspartner, auch nicht nur ein Teil davon, verloren. Chemische Reaktionen sind eines der Hauptthemengebiete der Naturwissenschaft Chemie. Bei einer chemischen Reaktion entstehen aus mindestens zwei Ausgangsprodukten (Edukte) sogenannte Produkte. Wichtig ist, dass bei einer chemischen Reaktion keine Substanzen verloren gehen – sie werden lediglich umgewandelt. Das bedeutet, dass nach einer Reaktion die Masse aller Edukte zur Masse aller Produkte wird. Bei einer Reaktionsgleichung muss man dementsprechend auch das Verhältnis der Stoffe auf der Produktseite stöchiometrisch anpassen. Dies geschieht mittels sogenannter Koeffizienten.

Das klassische Beispiel für eine chemische Reaktion, bei der angeglichen werden muss, ist die Knallgasreaktion:

$2 \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{H}_2\text{O}$

Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ergibt zwei Wassermoleküle, da reiner Wasserstoff und Sauerstoff jeweils nur als Moleküle vorkommen. Da die Masse auch auf der Produktseite gleich bleiben muss, bilden sich zwei Wassermoleküle. Wichtig: Auch die Ladung der Edukte ist identisch mit der Ladung der Produkte.

Chemische Symbole bestehen aus Buchstabenkombinationen, die repräsentativ für die Elemente des Periodensystems stehen. Sie bestehen entweder aus einem (z. B. N für Stickstoff) oder aus zwei Buchstaben (z. B. Fe für Eisen), wobei der zweite Buchstabe stets klein geschrieben wird. Die Herkunft der Elementsymbole liegt mal im Lateinischen, mal im Griechischen oder Englischen.

Chemische Reaktionen werden mit Hilfe der Elementsymbole eindeutig beschrieben. Zu diesem Zweck werden sie in einer Reaktionsgleichung zusammengefasst, die auf der einen Seite die Ausgangsstoffe, die sogenannten Edukte, und auf der anderen Seite die Produkte der Reaktion auflistet. Wichtig ist, dass jede chemische Gleichung grundsätzlich in beide Richtungen ablaufen kann. Ob dies unter Normalbedingungen auch wirklich geschieht, hängt von zahlreichen Faktoren ab.

Ein einfaches Beispiel für eine chemische Reaktionsgleichung ist die Entstehung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff:

$\frac{1}{2} \text{O}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$

Es ist wichtig, dabei zu beachten, dass die Masse der Edukte gemäß Massenerhaltungssatz gleich der Masse der Produkte ist. Es geht also keine Masse verloren.

In vielen Fällen handelt es sich bei den Reaktionspartnern nicht um reine Elemente, sondern um Verbindungen verschiedener Elemente. Diese Verbindungen können entweder mit Hilfe der Summenformel oder der Strukturformel dargestellt werden. Die Summenformel beinhaltet lediglich die Elementsymbole der Bindungspartner und ihre Anzahl, die dem Elementsymbol als tiefgestellter Index angehängt ist. Die Summenformel des Wassers lautet folglich: $\text{H}_2\text{O}$. Was aus der Summenformel aber nicht hervorgeht, ist die räumliche Anordnung der miteinander reagierenden Atome. Diese wird erst mit Hilfe der Strukturformel sichtbar.

https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturformel#/media/Datei:Wasser_Elektronenformel.svg

Die Reihenfolge der Elementsymbole in der Summenformel folgt dem Hill-System. Demzufolge steht in organischen Molekülen, also in solchen, die Kohlenstoff (C) enthalten, stets der Kohlenstoff an erster und der Wasserstoff an zweiter Stelle. Alle anderen Elemente reihen sich dahinter in alphabetischer Reihenfolge ein. Anorganische Moleküle, die keinen Kohlenstoff beinhalten, werden alphabetisch sortiert.

In der Valenzstrichformel werden bindende sowie nicht-bindende Elektronenpaare als Striche dargestellt. Dementsprechend werden Bindungspartner im Falle einer Doppelbindung mit zwei, im Falle einer Dreifachbindung mit drei Strichen verbunden.

https://de.wikipedia.org/wiki/Valenzstrichformel#/media/Datei:Essigs%C3%A4ure_Valenzstrichformel.svg

Die Elektronenformel stimmt nahezu mit der Valenzstrichformel überein. Einziger Unterschied ist, dass jedes Elektron einzeln mit Hilfe eines Punktes dargestellt wird. Ein Elektronenpaar wird also nicht durch einen Strich, sondern durch zwei Punkte symbolisiert.

https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturformel#/media/Datei:Essigs%C3%A4ure_Elektronenformel.svg

Die Keilstrichformel verrät noch ein wenig mehr über die räumliche Anordnung der Atome innerhalb eines Moleküls als die Valenz- oder Elektronenformel. Ein Elektronenpaar, welches in der Zeichenebene liegt, wird als einfacher Strich gekennzeichnet. Ein gestrichelter Keil steht dafür, dass der Bindungspartner hinter der Zeichenebene liegt. Ein ausgefüllter Keil symbolisiert die Bindung zu einem Atom, welches vor der Zeichenebene liegt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturformel#/media/Datei:Essigs%C3%A4ure_Struktur.svg

Die Skelettformel findet Verwendung vor allem in der organischen Chemie, also in Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten. Elektronenpaare werden, wie in der Valenzstrichformel, als Striche dargestellt. Kohlenstoff- und Wasserstoffatome werden nicht explizit dargestellt. Kohlenstoffatome liegen überall dort, wo zwei Striche direkt aufeinandertreffen sowie an den freien Enden der Striche. Wenn nicht anders dargestellt, sind die Kohlenstoffatome vollständig mit Wasserstoffatomen „gesättigt“, besitzen also nur Wasserstoff als Bindungspartner. Befindet sich eine funktionelle Gruppe an einem Kohlenstoffatom, wird diese inklusive der darin befindlichen Wasserstoffatome explizit dargestellt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturformel#/media/Datei:Essigs%C3%A4ure_Skelettformel.svg

Mit Hilfe der Stöchiometrie lässt sich das Stoffmengenverhältnis von Edukten und Produkten einer chemischen Reaktion ermitteln. Die Einheit der Stoffmenge der Reaktionspartner ist Mol. Die molare Masse eines jeden Elements, die in Gramm pro Mol angegeben ist, lässt sich dem Periodensystem der Elemente entnehmen. Folglich lässt sich, wenn die Masse der Reaktionspartner bekannt ist, deren Stoffmenge berechnen.

Die Stöchiometrie ist ein grundlegendes mathematisches Hilfsmittel der Chemie, anhand dessen man das Verhältnis zwischen den Mengen von Edukten und Produkten vor, während und nach chemischen Reaktionen beschreiben kann. Die wichtigste Größe bei stöchiometrischen Berechnungen ist die Stoffmenge n. Die Stoffmenge n kann man anhand der molaren Masse berechnen. Die empirisch beschriebene molare Masse eines jeden Elements kann man im Periodensystem der Elemente nachschauen.