Chemische Reaktionen

Chemische Reaktionen als Stoffumwandlung

Im Gegensatz zu einer Mischung von Sand (Siliciumdioxid) mit Wasser, erfolgt bei der Mischung von verdünnter Schwefelsäure mit verdünntem Kalkwasser (Calciumhydroxid) eine Stoffumwandlung.
Bei der Wechselwirkung der Lösungen von Schwefelsäure mit Calciumhydroxid ist weißes, in Wasser schwer lösliches Calciumsulfat entstanden.

Auch bei der Zersetzung von Wasser im hofmannschen Wasserzersetzungsapparat (siehe Bild 2) entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Aus flüssigem Wasser werden zwei unterschiedliche Gase gebildet.
Das eine Gas ist farblos, geruchlos, brennbar und beeinflusst einen glimmenden Holzspan nicht. Dieses Gas ist Wasserstoff. Das andere ist auch farblos und geruchlos, aber nicht brennbar und lässt einen glimmenden Holzspan hell aufflammen. Dieses Gas ist Sauerstoff.

Chemische Reaktionen sind Vorgänge, bei denen durch Spaltung, Umordnung und Neuknüpfung chemischer Bindungen eine Stoffumwandlung stattfindet.

Zur Beschreibung der Stoffumwandlung formuliert der Chemiker Reaktionsgleichungen. Die einfachste Varianteist die Wortgleichung. Die Wortgleichung für die elektrolytische Zersetzung von Wasser lautet:

$\begin{array}{l}\text{Wasser}\stackrel{}{\to }{\text{Wasserstoff}}_{}\text{+}\text{Sauerstoff}\\ {\text{Ausgangs-}}^{}\text{Reaktionsprodukte}\\ \text{stoff (Edukt)}\end{array}$

Die Stoffe, die vor einer chemischen Reaktion existieren, heißen Ausgangsstoffe (Edukte). Sie stehen in jeder Reaktionsgleichung vor dem Pfeil. Der Pfeil gibt die Richtung der chemischen Reaktion an. Stoffe, die nach einer chemischen Reaktion vorliegen, bezeichnet man als Reaktionsprodukte. Sie stehen hinter dem Pfeil bzw. auf der rechten Seite der Gleichung.

Wesentlich mehr Informationen kann den ausführlichen Reaktionsgleichungen unter Nutzung von Symbolen und Formeln (Formelgleichung) entnommen werden. Diese Gleichungen treffen quantitative Aussagen, denn die Art und die Zahl der Teilchen (Atome, Ionen) ist auf der Seite der Ausgangsstoffe und der Endprodukte gleich. Beim Aufstellen der Formelgleichungen müssen die Gesetze der Erhaltung der Masse sowie der multiplen und konstanten Proportionen berücksichtigt werden.

Die Formelgleichung für die elektrolytische Zersetzung von Wasser lautet:

$\begin{array}{l}{\text{2}}_{}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\to }{\text{2}}_{}{\text{H}}_{\text{2}}\text{+}{\text{O}}_{\text{2}}\\ \text{2 mol 2 mol 1 mol}\\ \text{Wasser Wasser- Sauer-}\\ \text{stoff stoff}\end{array}$

Ein Doppelpfeil als Reaktionspfeil zeigt an das die Reaktion umkehrbar ist und dass Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte in einem chemischen Gleichgewicht vorliegen. Die Mehrzahl chemischer Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen.

Arten chemischer Reaktionen
Chemische Reaktionen lassen sich nicht nur nach energetischen Gesichtspunkten klassifizieren. Nach dem Aggregatzustand der Reaktanten unterteilt man in Gasreaktionen, Reaktionen in Lösungen und Festkörperreaktionen.
Stellt man dagegen die Art der reagierenden Teilchen in den Vordergrund, dann unterscheidet man zwischen Molekül-, Ionen- oder Radikalreaktionen.

In der organischen Chemie betrachtet man dagegen primär die Änderung des Bindungszustands der Kohlenstoffatome und unterscheidet zwischen Substitution, Addition und Eliminierung. Eine Übersicht über die organischen Reaktionstypen ist in einem anderen Beitrag auf dieser CD gegeben.

Als sehr sinnvoll hat sich die nachfolgende Klassifizierung nach der Art der bei der Reaktion ausgetauschten Teilchen erwiesen. Dabei unterscheidet man zwischen:

• Redoxreaktionen
• Säure-Base-Reaktionen
• Fällungsreaktionen
• Komplexreaktionen

Diese Einteilung wird vor allem in der anorganischen und allgemeinen Chemie bevorzugt.

Redoxreaktionen
Redoxreaktionen sind Reaktionen mit Elektronenübergang. Dabei sind die Teilreaktionen Oxidation und Reduktion miteinander gekoppelt, d. h. sie laufen gleichzeitig ab.

Bei der Teilreaktion Oxidation erfolgt eine Elektronenabgabe. Bei der Teilreaktion Reduktion erfolgt eine Elektronenaufnahme.

Das Oxidationsmittel ist der Reaktionspartner, der Elektronen aufnimmt und das Reduktionsmittel der Reaktionspartner, der Elektronen abgibt. Die Vorgänge der Oxidation und der Reduktion sind über korrespondierende Redoxpaare miteinander verknüpft (Bild 4).

Beispiele für Redoxraktionen sind ist der Prozess der Wasserbildung aus den Elementen. Auch bei dem seit über 500 000 Jahren vom Menschen genutzten Feuer handelt es sich wie bei allen Verbrennungsprozessen um eine bedeutende Redoxreaktion.

Auch alle elektrochemischen Prozesse sind Redoxreaktionen. Weitere Beispiele für Redoxreaktionen sind:

$\begin{array}{l}\text{Wichtige Redoxreaktionen:}\\ {\text{Fotosynthese: 6 CO}}_{\text{2}}{\text{+ 6 H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\to }{\text{C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}{\text{+ 6 O}}_{\text{2}}\\ {\text{Ammoniaksynthese: N}}_{\text{2}}{\text{+ 3 H}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{2 NH}}_{\text{3}}\\ {\text{Sprengstoffe: NH}}_{\text{4}}{\text{NO}}_{\text{3}}\stackrel{}{\to }{\text{N}}_{\text{2}}{\text{+ O}}_{\text{2}}{\text{+ 4 H}}_{\text{2}}\text{O}\\ {\text{Kohleverbrenung: C + O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }{\text{CO}}_{\text{2}}\end{array}$

Fällungsreaktionen

Bei einer Fällungsreaktion bildet sich bei der Umsetzung zweier Reaktionspartner in einer homogenen Lösung ein Niederschlag eines schwer löslichen Reaktionsproduktes. Dabei werden Ionen übertragen.

Da zwei Phasen, eine homogene flüssige (Lösung) und eine feste (Niederschlag) vorliegen, spricht man auch von einer heterogenen Reaktion. Fällungsreaktionen haben große Bedeutung in der qualitativen chemischen Analyse (Nachweisreaktionen, Bild 6), bei der quantitativen Bestimmung der Ionen (Gravimetrie) und bei der Frisch- und Abwasserbehandlung. Auch die Rauchgasentschwefelung in Kraftwerken ist eine Fällungsreaktion.

$\begin{array}{l}\text{Beispiele für Fällungsreaktionen:}\\ {\text{Ag}}^{\text{+}}{\text{+ Cl}}^{\text{-}}\stackrel{}{\to }\text{AgCl}\downarrow \\ {\text{Ba}}^{\text{2+}}{\text{+ SO}}_{\text{4}}{}^{\text{2-}}\stackrel{}{\to }{\text{BaSO}}_{\text{4}}\downarrow \\ {\text{Ca}}^{\text{2+}}{\text{+ CO}}_{\text{3}}{}^{\text{2-}}\stackrel{}{\to }{\text{CaCO}}_{\text{3}}\downarrow \end{array}$