Chemische Reaktion

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Einleitung

Chemische Reaktion, jeder Vorgang, bei dem Atome oder Atomgruppen umgeordnet werden, so dass sich die molekularen Zusammensetzungen der beteiligten Substanzen ändern. Eine chemische Reaktion ist beispielsweise die Bildung von Rost (Eisenoxiden) durch die Einwirkung des Luftsauerstoffes auf Eisen in Gegenwart von Wasser.

Die zu Beginn einer Reaktion vorliegenden Substanzen nennt man Reaktanten, Edukte oder Ausgangsstoffe, und die aus der Reaktion hervorgehenden Stoffe sind die Reaktions- und die Endprodukte. Deren Beschaffenheit hängt zuweilen von den Bedingungen ab, unter denen die Reaktion abläuft. Grundsätzlich gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse: Gleichgültig, von welcher Art die entstandenen oder die verbrauchten Stoffe sind, bleibt die Masse aller Edukte und aller Produkte insgesamt unverändert (siehe Erhaltungssätze). Auch andere Größen werden durch chemische Reaktionen niemals verändert, beispielsweise die elektrische Gesamtladung oder die vorhandene Anzahl der Atome jedes beteiligten Elements – die Bildung von Ionen zählt nicht als Veränderung der Atome (siehe Erhaltungssätze). Chemische Reaktionen sind prinzipiell von den Kernreaktionen zu trennen, bei denen es zu Veränderungen innerhalb des Atomkernes kommt.

Anfang 1998 gelang es erstmals, eine chemische Reaktion Molekül für Molekül zu verfolgen. Dazu wählten Forscher vom Fritz-Haber-Institut die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff an einer Platinoberfläche zu Kohlendioxid aus – dieser Prozess läuft u. a. auch bei Autokatalysatoren ab. Die Reaktion ließen die Wissenschaftler bei -26 °C in einer dicht geschlossenen Vakuumkammer ablaufen. Als Beobachtungsinstrument nutzten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop und schossen damit jede Minute eine Aufnahme – das gesamte Experiment dauerte eine halbe Stunde. Der zuerst eingeleitete Sauerstoff bildet zunächst Inseln auf der Platinoberfläche aus. Das folgende Kohlenmonoxid lagert sich zwischen den Sauerstoffinseln ab, wobei an den Rändern die Reaktion abläuft. Dabei entsteht Molekül für Molekül Kohlendioxid, das sich anschließend von der Oberfläche löst.

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Chemische Gleichungen

Chemische Symbole und Formeln dienen dazu, die chemischen Reaktionen zu beschreiben, wobei die Symbole die einzelnen Elemente bezeichnen. Daher enthält eine chemische Reaktionsgleichung auf der einen Seite die Symbole der Edukte (eingesetzten Stoffe) und auf der anderen Seite die Symbole und Mengen der Produkte. Als Beispiel soll die chemische Reaktion dienen, bei der Methan CH₄ in Sauerstoff O₂ zu Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O verbrennt:

Weil die Atome bei chemischen Reaktionen erhalten bleiben, muss für jedes Element (jede Atomsorte) auf beiden Seiten der Gleichung jeweils dieselbe Anzahl von Atomen stehen:

Ein Pfeil in chemischen Gleichungen bedeutet so viel wie „ergibt”. Zahlenfaktoren werden nur dann explizit ausgeschrieben, wenn sie von 1 abweichen. Damit erhält man eine stöchiometrische Reaktionsgleichung, in der also die elektrischen Ladungen und die Atomanzahlen jeder Elementsorte auf beiden Seiten gleich sind:

Im Periodensystem der Elemente werden meist auch deren Atommassen (Atomgewicht) in der Einheit u angegeben. Nach dem deutschen Einheitengesetz (1970) entspricht eine atomare Masseneinheit (1 u) 1/12 eines Atoms des Kohlenstoff-12-Isotops. Einige beispielhafte Werte sind (die stabilsten Isotope): 12,01 u für natürlichen Kohlenstoff (ein Isotopengemisch), 1,01 u für Wasserstoff und 16,00 u für Sauerstoff.

Also reagieren in der Beispielreaktion 16,05 u CH₄ mit 64,00 u O₂ und ergeben 44,01 u CO₂ und 36,04 u H₂O. Man kann auch sagen: 1 Mol Methan reagiert mit 2 Mol Sauerstoff zu 1 Mol Kohlendioxid und 2 Mol Wasser. Die Gesamtmassen auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung müssen identisch sein:

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Reaktionsarten

Chemische Reaktionen lassen sich nach mehreren Möglichkeiten einteilen. Allein die so genannten Namensreaktionen sind nach ihren Entdeckern benannt. Dadurch sind eine ganze Reihe von Reaktionen bekannt, von denen hier nur Beispiele aufgeführt werden. Eine Reaktion zwischen Edukten kann beispielsweise direkt zum Reaktionsprodukt führen oder auch über mehrere Zwischenstufen das Endprodukt liefern. So genannte Stufenreaktionen setzen sich aus mehreren Elementarstufen zusammen. Der ersten Reaktionsstufen (Primärreaktion) folgen die Sekundärreaktionen. Je nach zeitlicher Abfolge unterscheidet man dabei Simultan- oder Parallelreaktionen (gleichzeitig neben der Primärreaktion) von den Folgereaktionen (nachfolgend). Beispiele hierfür sind Polymerreaktionen (Siehe Polymere; Kunststoffe).

Neben Stufenreaktionen gibt es auch solche Arten, bei denen zwei oder mehrere Edukte um andere Ausgangssubstanzen miteinander konkurrieren, so dass Haupt- und Nebenprodukte entstehen. In diesem Fall spricht man auch von Konkurrenzreaktionen. Bei der Substitutionsreaktion (auch Austauschreaktion) wird ein Bestandteil einer Verbindung durch einen anderen ersetzt. Lagert sich ein Edukt an eine ungesättigte Verbindung, bezeichnet man die Reaktion als Additionsreaktion – den umgekehrten Fall als Eliminierungsreaktion.

Chemische Reaktionen laufen jedoch nicht nur zwischen Molekülen verschiedener Edukte ab (intermolekulare Reaktion). Auch innerhalb desselben Moleküls können Reaktionen stattfinden (intramolekulare Reaktionen, z. B. Umlagerungen).

Eine weitere Klassifizierung ist nach Art der Edukte möglich. Ein Beispiel wären die so genannten Säure-Base-Reaktionen (siehe Säuren und Basen). Bei vielen chemischen Reaktionen nehmen bestimmte Ausgangsstoffe Elektronen auf (Reduktion), während andere Reaktionspartner Elektronen abgeben (Oxidation). Diese so genannten Redoxreaktionen spielen im täglichen Leben eine wichtige Rolle. So laufen beispielsweise die oben genannte Rostbildung, Verbrennungen und auch Stoffwechselprozesse (z. B. bei der Atmung) über Redoxvorgänge ab.

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Chemische Energetik

Bei allen chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtenergie des vorliegenden Systems erhalten. Man kann eine Reaktion zumindest gedanklich meist in zwei Einzelschritte aufteilen. Zuerst werden die Bindungen der anfangs vorhandenen Substanzen (der Reaktanten bzw. Edukte) gespalten oder gedehnt, und dann fügen sich die Produkte aus den Molekülteilen zusammen, wobei neue Bindungen entstehen. Zum Aufbrechen einer Bindung, d. h. zum Abtrennen eines Molekülteiles, ist eine bestimmte Energiemenge erforderlich. Dieselbe Energiemenge wird frei, wenn sich die gleiche Bindung (wieder) bildet. Ist viel Energie zum Aufbrechen nötig, so spricht man von einer starken Bindung, denn sie setzt der Spaltung einen hohen Widerstand entgegen. Wenn also in den Produkten stärkere Bindungen entstehen, als in den Reaktanten gespalten wurden, so wird bei der Reaktion Energie an die Umgebung abgegeben, meist in Form von Wärme. Die Reaktion wird dann exotherm genannt. Werden stärkere Bindungen gebrochen als gebildet, so muss aus der Umgebung Wärme (oder eine andere Energieform) zugeführt werden, damit die Reaktion ablaufen kann. Dies ist eine endotherme Reaktion.

Endotherme Reaktionen gehen praktisch immer mit der Dissoziation, der Spaltung, von Molekülen einher, so dass hinterher mehr Teilchen vorhanden sind als zuvor. Man kann das Ausmaß dieses Effekts als eine Zunahme der Entropie des Systems messen. Das Bestreben, starke Bindungen zu bilden und die Teilchenzunahme drückt man gemeinsam durch die Änderung der so genannten freien Enthalpie des Systems im Verlauf der Reaktion aus. Alle bei konstantem Druck und konstanter Temperatur freiwillig ablaufenden Vorgänge sind durch eine Zunahme der freien Enthalpie gekennzeichnet – in diesem Zusammenhang sei betont, dass der Betrag zunimmt, denn für freiwillig ablaufende Prozesse nimmt die freie Enthalpie einen negativen Wert ein. Während dieses so genannten exergonischen Vorgangs tritt entweder eine Zunahme der mittleren Bindungsstärke bzw. eine Zunahme der Teilchenanzahl oder beides ein. Siehe physikalische Chemie; Thermodynamik.