Elemente und Moleküle, Schulbuch

40 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 inei- nander 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. Grenzfäl- le treten bei Ionen- und Metallgittern auf. Die Salzlöslichkeit ist durch diese Einteilung 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 Eigenschaften auf. So ist das feste Salz ein Isolator, während Salzlösungen und Salzschmelzen elektrisch leit- fähig 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 un- geladene 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 Weise 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). 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. Beispiele: 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O 2 Al + 3 Br 2 → 2 AlBr 3 CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O In der Regel wird für die Faktoren das kleinste ganzzahlige Verhältnis gewählt. Dies ist keine strenge Regel und manchmal werden aus praktischen Gründen Bruchzah- len (oder Dezimalzahlen) als Faktoren verwendet. Beispiel: C 6 H 6 + 7,5 O 2 → 6 CO 2 + 3 H 2 O 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. 40.1: Ablauf einer Reaktion durch Zusammenstoß zweier Teilchen Abb. 40.2: Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Masse konstant Abb. 40.3: Die Reaktionsgleichung Abb. 40.4: Exotherme und endotherme Reaktion r769pw Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv