Chemische Reaktionen

Die Atome sind die kleinsten Bausteine. Durch Elektronenaufnahme oder -abgabe können daraus verschiedene Ionen entstehen.  Atome und/oder Ionen können untereinander Bindungen eingehen und ergeben neue Verbindungen, die durch ihre Moleküle repräsentiert werden.

Diese Moleküle können wiederum Reaktionen eingehen, bei denen ihre Bindungen gebrochen und neue geknüpft werden. Es gibt vier große Reaktionsarten in der anorganischen Chemie:

• Säure-Base-Reaktionen (siehe dazu Kapitel: „Säure-Base-Chemie“)
• Redoxreaktionen (siehe dazu Kapitel: „Redox-Chemie“)
• Fällungsreaktionen (siehe dazu Kapitel: „Fällungsreaktionen“)
• Komplex-Reaktionen (siehe dazu Kapitel: „Komplexe“)

Die meisten chemischen Reaktionen sind reversible Reaktionen, d.h. Reaktionen aus einer Hin- und einer Rückreaktion. Aufgrund dieser Tatsache stellt sich bei reversiblen Reaktionen immer ein Gleichgewicht ein (siehe dazu Kapitel: „Chemisches Gleichgewicht“). Jede Reaktion wird in Form einer Reaktionsgleichung dargestellt. Eine Reaktionsgleichung beinhaltet nur die an der Reaktion teilnehmenden Stoffe in der minimalen Anzahl. Schauen wir uns dazu das Beispiel in Abb. 1 an.

Abbildung 1: Reaktionsgleichung der Darstellung von Kochsalz (NaCl) aus den Elementen Natrium (Na) und Chlor (Cl2)

Links vom Reaktionspfeil stehen die Edukte und rechts vom Reaktionspfeil die Produkte. Der Reaktionspfeil zeigt die Richtung der Reaktion an. Die Stöchiometrie (stöchiometrische Zahl) handelt von den Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen und ermöglicht die Berechnung der umgesetzten Massen oder Volumina der Reaktionspartner. Die stöchiometrischen Umsetzungen von chemischen Reaktionspartnern, die als Atome, Moleküle oder Ionen vorliegen können, folgen dabei den Gesetzen der chemischen Bindung. Bei dieser Reaktion erhalten wir aus zwei Teilchen Natrium und einem Teilchen Chlorgas zwei Teilchen Natriumchlorid. Der Index gibt in der Summenformel einer Verbindung an, wie viele Atome und/oder Ionen der gleichen Sorte gebunden sind. Beim Aufstellen von Reaktionsgleichungen gilt das „Gesetz der Erhaltung der Masse“, das besagt, dass die Masse links und rechts vom Reaktionspfeil gleich sein muss. Masse kann nicht verloren gehen und auch nicht plötzlich entstehen. Außerdem gilt noch das „Gesetz der Erhaltung der Ladung“, das besagt, dass die Ladung links und rechts vom Reaktionspfeil gleich sein muss. Ladung kann nicht verloren gehen und auch nicht aus dem Nichts entstehen.

Das Aufstellen von Reaktionsgleichungen und das Ausgleichen der stöchiometrischen Zahlen kann am besten durch Übung verstanden werden. Zuerst eine einfache Beispielaufgabe, die die wichtigsten Schritte zeigt.

Beispielaufgabe: Bei einer Reaktion zwischen Ammoniak (NH₃) und Sauerstoff (O₂) entsteht Stickstoffgas (N₂) und Wasser (H₂O).

1.Schritt: Notieren der Edukte und Produkte

NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O

2. Schritt: Ausgleich durch geeignete Wahl der stöchiometrischen Koeffizienten: Am besten fängt man ganz links in der Reaktionsgleichung an. Wir erkennen, dass im Ammoniak (NH₃) ein Stickstoffatom (N) gebunden ist. Rechts vom Reaktionspfeil entsteht jedoch Stickstoff (N₂), das aus zwei Stickstoffatomen besteht. Somit müssen wir vor das Ammoniak (NH₃) eine „2“ schreiben, damit die Stickstoffatome auf beiden Seiten die gleiche Anzahl haben.

 2 NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O

Als Nächstes schauen wir uns die Anzahl der Wasserstoffatome (H) links und rechts vom Reaktionspfeil an. In der Gesamtzahl der Ammoniakmoleküle haben wir sechs Wasseratome (H) links und zwei Wasserstoffatome rechts. Somit müssen wir links eine „3“ vor das Wassermolekül schreiben, damit die Wasserstoffatome ausgeglichen sind.

2 NH₃ + O₂ → N₂ + 3 H₂O

Als Nächstes vergleichen wir die Anzahl der Sauerstoffatome (O) auf beiden Seiten des Reaktionspfeils. Links haben wir zwei Sauerstoffatome (O) und rechts drei. Der gemeinsame Nenner von zwei und drei ist sechs. Somit schreiben wir vor den Sauerstoff die Zahl 3 und multiplizieren die Wassermoleküle mit 2.

2 NH₃ + 3 O₂ → N₂ + 6 H₂O

Dadurch erhöht sich rechts die Anzahl der Wasserstoffatome. Die Ammoniakmoleküle (2 NH₃) müssen zum Ausgleich ebenfalls mal 2 genommen werden.

4 NH₃ + 3 O₂ → N₂ + 6 H₂O

Das Stickstoffmolekül rechts erhält schließlich eine „2“ als stöchiometrischen Koeffizienten. Somit wäre die Reaktionsgleichung aufgestellt.

4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O

Wenn die Anzahl aller Atome links und rechts ausgeglichen ist, dann muss automatisch die Masse auf beiden Seiten gleich sein. Die Ladung beträgt auf beiden Seiten Null.

Zu jeder Reaktion gehört eine Reaktionsenergie. Die thermodynamische und auch korrektere  Bezeichnung ist Reaktionsenthalpie (ΔH_R). ΔH_R kann einen negativen Wert haben, dann spricht man von einer exothermen Reaktion. Dabei wird Energie in Form von Wärme frei. ΔH_R kann ebenso gut positive Werte annehmen, dann spricht man von einer endothermen Reaktion. Diese Reaktionen benötigen zusätzliche Energie. ΔH_R ist ein Differenzwert zwischen der Enthalpie der Produkte und der Edukte (ΔH_R = H_Produkte – H_Edukte). Mehr zu diesem Thema steht im Kapitel „Thermodynamik“.