Elemente, Schulbuch

44 3 Die chemische Reaktion Bisher wurden die Stoffe und ihre Strukturen beschrieben. Die Eigenschaften der Stoffe sind von der Struktur abhängig. Eine weitere wichtige Aufgabe der Chemie ist aber die Beschreibung von stofflichen Veränderungen. Diese stofflichen Verän- derungen nennt man chemische Reaktionen. 3.1 GrUNdLAgEN Veränderungen der Elektronenhülle • Reaktionsgleichung Bei einer chemischen Reaktion werden Bindungen gelöst und neu geknüpft. Jede Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Aus neuen Bindungsverhältnissen resultieren neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Zur Unterscheidung physikalischer und chemischer Vorgänge – die oft fließend in- einander übergehen – dient folgende einfache Unterteilung: Bei einem chemischen Vorgang werden Hauptvalenzen gelöst, bei einem physikalischen Vorgang werden Nebenvalenzen gelöst. Bei Stoffen aus Molekülen ist diese Einteilung klar. Ändern sich die Moleküle – Lösen der Hauptvalenz –, so ist der Vorgang eine chemische Re- aktion. Schmelzen und Verdampfen sind hingegen physikalische Vorgänge. Grenz- fälle treten bei Ionen- und Metallgittern auf. Die Salzlöslichkeit ist durch diese Ein- teilung ein chemischer Vorgang, weil das Ionengitter – Hauptvalenz – aufgebrochen wird. Auch das Schmelzen einer Ionenverbindung muss als chemischer Vorgang aufgefasst werden. In beiden Fällen tritt außerdem eine Änderung der Eigenschaf- ten auf. So ist das feste Salz ein Isolator, während Salzlösungen und Salzschmelzen elektrisch leitfähig sind. Das Schmelzen der Metalle führt zu einer Lockerung des Gitters. Die Grundstruktur wird allerdings nicht gestört. Auch Metallschmelzen sind leitfähig. Erst bei Metalldämpfen liegt kein Metallgitter mehr vor. Metalldämpfe sind einzelne ungeladene Metall-Atome, die nicht mehr leitfähig sind. Bei Metallen kann Schmelzen also als physikalischer Vorgang und Verdampfen als chemische Reaktion aufgefasst werden. Diese Grenzfälle werden allerdings nicht überall in gleicher Wei- se beurteilt. Ob eine chemische Reaktion eintritt, hängt von den beteiligten Stoffen und von den Reaktionsbedingungen ab. So kann Koks mit heißem Wasserdampf reagieren, mit flüssigem Wasser aber nicht. Chemische Reaktionen sind nur Veränderungen der Elektronenhülle. Die an der Re- aktion beteiligten Atomsorten sind vor und nach der Reaktion dieselben. Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Masse daher unverändert. Zur Beschreibung einer chemischen Reaktion dient die Reaktionsgleichung . Es wer- den die Formeln der Ausgangsstoffe und Endstoffe angeschrieben (manchmal werden sie mit einem Index für den Aggregatzustand versehen; s – solid/fest, l – liquid/flüssig, g – gas/gasförmig). Zwischen Ausgangsstoffe und Endprodukte setzt man den Reak- tionspfeil (gesprochen: „reagiert zu“, „reagieren zu“). Über diesen Reaktionspfeil schreibt man häufig die Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur, Katalysator). Zur vollständigen Beschreibung einer Reaktion wird auch der Energieumsatz – zu- mindest qualitativ – angeschrieben. Die bei chemischen Reaktionen umgesetzte Energie bezeichnet man als Enthalpieänderung ∆ H R der Reaktion. (Griech.: thalpein = erwärmen) Sind die Endstoffe energieärmer als die Ausgangsstoffe, so wird Ener- gie abgegeben. Solche Prozesse nennt man exotherm und die Enthalpieänderung ∆H erhält ein negatives Vorzeichen. Bei endotherm en Reaktionen sind die Endstof- fe energiereicher und ∆H erhält ein positives Vorzeichen. ∆ H R = ∑ H End – ∑ H Aus A (l) + B (g) → D (g) + F (s) ∆ H < 0 bzw. ∆ H > 0 Bei jeder chemischen Reaktion muss man sich der großen Teilchenzahl bewusst sein. Reagiert 1 kg Eisen, so sind dies ca. 18 mol (dh. ca. 10 25 Fe-Atome). Mit der For- mel Fe ist also nicht ein Eisen-Atom, sondern eine bestimmte Menge Eisen gemeint. Da bei der Reaktion die Atome nicht verändert, sondern nur zu neuen Verbindungen umgruppiert werden, müssen auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung die gleiche Art und Anzahl von Atomen stehen. Dies muss man durch Faktoren vor den Formeln bei der Reaktionsgleichung berücksichtigen, die das Molverhältnis der reagierenden Stoffe angeben (Abb. 45.1). REAKTION + + O O C C H H H H H 2 O C H 2 CO + + Aus End H H endotherm exotherm Reaktionsablauf Reaktionsablauf Aus End Abb. 44.1: Ablauf einer Reaktion durch Zusammenstoß zweier Teilchen Abb. 44.2: Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Masse konstant Abb. 44.3: Die Reaktionsgleichung Abb. 44.4: Exotherme und endotherme Reaktion 69ks36 Nur zu Prüfzwecke – Eigentum des Verlags öbv