EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Physikalische und chemische Vorgänge 3.1 Grundlagen der chemischen Reaktion 66 66 Abb. 066–1: Lösen der Nebenvalenzkraft – Aggregatzustandsänderung Abb. 066–2: Lösen der Hauptvalenzkraft (Atom- bindung), eine 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 stoffli- chen Veränderungen nennt man chemische Reaktionen . Bei einer chemischen Reaktion werden Bindungen gelöst und neu geknüpft. Jede Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Aus neuen Bindungsver- hältnissen resultieren neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Unterscheidung physikalischer und chemischer Vorgänge Zur Unterscheidung physikalischer und chemischer Vorgänge – die oft fließend ineinander übergehen – dient folgende einfache Unterteilung: Bei einem chemischen Vorgang werden Hauptvalenzen (die eigentliche che- mische Bindung) gelöst. Werden nur Nebenvalenzen (Van-der-Waals-Kraft, Di- pol-Dipol-Wechselwirkung und Wasserstoffbrücke) gelöst, wie bei Aggregatzu- standsänderungen spricht man von einem physikalischen Vorgang. Bei Stoffen aus Molekülen ist diese Einteilung klar. Ändern sich die Moleküle – Lösen der Hauptvalenz –, so ist der Vorgang eine chemische Reaktion. Schmel- zen und Verdampfen sind hingegen physikalische Vorgänge. Grenzfälle 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 Io- nenverbindung 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 leitfähig sind. Das Schmelzen der Metalle führt zu einer Lockerung des Gitters. Die Grund- struktur wird allerdings nicht gestört. Auch Metallschmelzen sind leitfähig. Erst bei Metalldämpfen liegt kein Metallgitter mehr vor. Metalldämpfe sind einzel- ne ungeladene Metall-Atome, die nicht mehr leitfähig sind. Bei Metallen kann Schmelzen als physikalischer Vorgang und Verdampfen als chemische Reaktion aufgefasst werden. Diese Grenzfälle werden allerdings nicht überall in gleicher Weise beurteilt. Wer reagiert? Ob eine chemische Reaktion eintritt, hängt von den beteiligten Stoffen und den Reaktionsbedingungen – Druck, Temperatur und Katalysator – ab. Ziel und Auf- gabe der nächsten Kapitel ist es, Möglichkeiten aufzuzeigen, wie man feststellen kann, ob und welche Stoffe miteinander reagieren, welche Reaktionsbedingun- gen notwendig sind und welche Stoffe in welchem Ausmaß entstehen können. Bei der Reaktion zwischen Metallen und Nichtmetallen entstehen in der Regel Salze. Warum reagiert aber Aluminium mit Brom ohne äußere Energiezufuhr sofort zu Aluminiumbromid, während man bei der Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff Energie – bis zum Start der Reaktion – zuführen muss? Warum korro- diert (rostet) Eisen leicht, während Gold praktisch nicht korrodiert? Warum kann Koks mit heißem Wasserdampf reagieren, mit flüssigem Wasser aber nicht? Energieumsatz Zur vollständigen Beschreibung einer Reaktion wird auch der Energieumsatz – zumindest qualitativ – angeschrieben. Die bei chemischen Reaktionen um- gesetzte Energie bezeichnet man als Enthalpieänderung ∆ H R der Reaktion. (Griech.: thalpein = erwärmen) Sind die Endstoffe energieärmer als die Ausgangsstoffe, so wird Energie abge- geben. Solche Prozesse nennt man exotherm , und die Enthalpieänderung ∆ H erhält ein negatives Vorzeichen. Bei endothermen Reaktionen sind die Endstof- fe energiereicher, und ∆ H erhält ein positives Vorzeichen. Abb. 066–4: Energieumsatz Cl – -Ion Na + -Ion H 2 O-Molekül + 2 H 2 + (1) O 2 2 H 2 O Abb. 066–3: Grenzfall: Hauptvalenz „Ionenbin- dung“ wird zwar gelöst, aber es liegt das ursprüngliche Salz jetzt nur in gelöster Form vor. Aus End H H endotherm exotherm Reaktionsablauf Reaktionsablauf Aus End -gangsstoffe -produkte -gangsstoffe -produkte fest ( T < 0 °C) EIS flüssig ( T 0 – 100 °C) flüssiges WASSER gasförmig ( T > 100 °C) WASSERDAMPF „gefrieren“ oder „erstarren“ „kondensieren“ „schmelzen“ „sieden“ Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv