Von der Theorie zur Praxis: Chemische Reaktionen einfach erklärt
Mit dem Begriff chemische Reaktionen verbindet man vor allem eine Laborumgebung, Wissenschaft, Explosionen und spektakuläre Ergebnisse. Doch chemische Reaktionen finden auch lautlos statt und gehören ganz selbstverständlich zu unserem Alltag. Ein Einblick.
In diesem Ratgeber schauen wir uns die Grundlagen der chemischen Reaktionen an.
Foto: PantherMedia / motortion
Hinter einer chemischen Reaktion verbirgt sich eine Reaktionsgleichung, die auch als Reaktionsschema bezeichnet wird. Grundsätzlich gehören zu einer chemischen Reaktion immer mindestens zwei Teile, die miteinander reagieren. Dabei findet eine sogenannte Stoffumwandlung statt. Das bedeutet: Die entstehenden Produkte weisen andere Eigenschaften auf als die Stoffe, die man als Ausgangsbasis verwendet hat.
Inhaltsverzeichnis
Nicht immer ist es möglich, Ergebnisse direkt zu erkennen. In manchen Fällen sind dafür weitere Substanzen notwendig. Das können zum Beispiel Nachweisreagenzien sein oder auch Indikatorpapiere. Heftige chemische Reaktionen wie etwa Explosionen nimmt man natürlich direkt wahr.
Grundlagen der Chemie
In der Chemie beschäftigt man sich mit Stoffen und Materialien, einschließlich Atomen, Molekülen und Ionen – im Detail mit deren Strukturen, Eigenschaften, Zusammensetzungen und Umwandlungen. Atome gelten in der Chemie als die kleinste nicht weiter teilbare Einheit. Sie bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen, die Atomhülle dagegen mit negativ geladenen Elektronen ausgestattet. In ihrem Normalzustand sind Atome elektrisch neutral. Das bedeutet, dass sich die Anzahl von Protonen und Elektronen die Waage halten. Sobald Atome eine elektrische Ladung tragen, wandeln sie sich zu Ionen.
Ein chemisches Element beschreibt als eine Art Sammelbegriff alle Atomarten mit derselben Anzahl an Protonen im Atomkern. Dies gilt auch für chemische Stoffe. Im Periodensystem werden alle chemischen Elemente entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt. Entscheidend dabei ist vor allem ihre Ordnungszahl, welche die steigende Kernladung beschreibt. Im Atom können sich unterschiedlich viele Elektronen befinden – und zwar auf sogenannten Bahnen, die auch gern als „Schale“ bezeichnet werden. Wasserstoff und Helium sind die Elemente mit den ersten beiden Ordnungszahlen im Periodensystem. In ihre innerste Schale passen nur zwei Elektronen. In den nächstfolgenden Elementen steigt die Anzahl der Elektronen, weshalb sie dann auf der nächsten Stufe stehen.
Was sind chemische Reaktionen?
Bei einer chemischen Reaktion entstehen aus chemischen Verbindungen neue chemische Verbindungen. Für die chemischen Verbindungen werden Ausgangsstoffe genutzt, sogenannte Edukte oder auch Reaktante. Das Ergebnis, also andere oder auch neue chemische Verbindungen, bezeichnet man als Produkte. Sie entstehen, weil die Atome der Reaktanten neue Bindungen eingehen.
Bei einer chemischen Reaktion wird immer automatisch Energie aufgenommen oder freigesetzt. Wird Energie aufgenommen, so bezeichnet man dies als endotherme Reaktion. Eine Reaktion, die Energie freisetzt, nennt man eine exotherme Reaktion. Sobald innerhalb eines solchen Vorgangs wieder ein chemisches Gleichgewicht entsteht oder die Reaktanten vollständig umgewandelt wurden, ist eine chemische Reaktion dann beendet.
Arten von chemischen Reaktionen
Innerhalb der chemischen Reaktion gibt es verschiedene Arten. Dazu gehören:
- Addition – als typischer Vertreter der chemischen Reaktionen. Bei diesem Reaktionstyp vereinigen sich mindestens zwei Moleküle zu einem. Möglich wird dies, indem mehrere Mehrfachbindungen aufgespalten werden.
- Eliminierung – bei dieser Reaktion werden mehrere kleinere Moleküle von einem großen Molekül abgespalten werden
- Fällungsreaktion – bezeichnet einen chemischen Prozess, bei dem sich aus zwei gelösten Salzen ein unlösliches Produkt, das sogenannte Fällungsprodukt oder Präzipitat bildet.
- Hydrolyse – ist die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch Anlagerung eines Wassermoleküls
- Komplexbildungsreaktion oder auch Ligandenaustausch genannt – bei dieser chemischen Reaktion reagiert ein Metall-Kation mit Molekülen oder Ionen.
- Redoxreaktionen – ist die Kurzform für Reduktions-Oxidations-Reaktion. Hier reagieren zwei Substanzen miteinander, von denen die eine als Reduktionsmittel und die andere als Oxidationsmittel fungiert. Zwischen den Substanzen werden Elektronen übertragen, durch die sich die Oxidationszustände der beteiligten Atome verändern.
- Säure-Base-Reaktion – hier werden Protonen zwischen Säuren und Basen übertragen. Eine Säure-Base-Reaktion ist immer eine Protolyse, bei der ein Proton von der Säure zur Base übergeht.
- Substitution – hier werden in einem Molekül bestehende Atome oder Atomgruppen durch neue Atome oder Atomgruppen ersetzt.
Chemische Reaktionsgleichungen
Reaktionsgleichungen folgen einem einheitlichen Aufbau. Links befinden sich immer die Ausgangsstoffe, also die Edukte. Meistens als chemische Summenformeln notiert. Auf der rechten Seite stehen die Endstoffe, die sogenannten Produkte. Ein Reaktionspfeil stellt die Verbindung zwischen den beiden Gleichungen beziehungsweise Stoffen dar. Ein Beispiel: die Verbrennung von Erdgas. Methan als Hauptbestandteil von Erdgas benötigt für die Verbrennung Sauerstoff. Es entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Als Reaktionsgleichung stellt sich das wie folgt dar:
Methan + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + Wasser (Wortgleichung)
CH4 + O2 -> CO2 + H2O (Formelgleichung)
Betrachtet man bei der Formelgleichung nun die Anzahl der Atome, fällt Folgendes auf: Die Kohlenstoff-Atome liegen in gleicher Anzahl vor. Die Wasserstoff-Atome dagegen nicht. Hier gibt es vier auf der Seite der Edukte und zwei bei den Produkten. Das würde bedeuten, dass in der Formelgleichung zwei Wasserstoffatome vernichtet werden, was aber nicht der Fall ist.
Deshalb ist es notwendig, auf der Produktseite zwei Wasserstoff-Atome hinzuzufügen. Und so wird aus CH4 + O2 -> CO2 + H2O diese korrekte Gleichung CH4 + O2 -> CO2 + 2H2O. Auch bei den Sauerstoffatomen herrscht ein Ungleichgewicht: Zwei befinden sich bei den Edukten, vier bei den Produkten – denn zwei sind im Kohlenstoffdioxid-Molekül gebunden und in zwei Wassermolekülen ebenfalls zwei. Das heißt: Auf der Eduktseite gilt es zwei zu ergänzen: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O. Erst wenn auf beiden Seiten der Gleichung die Anzahl der Atome übereinstimmen, ist sie fertig.
Energie in chemischen Reaktionen
In chemischen Reaktionen spielt Energie immer eine wichtige Rolle. Je nachdem, um welche Reaktion es sich handelt, wird Energie freigesetzt, umgesetzt, aufgewendet oder ist notwendig, um sie in Gang zu setzen. Bei exothermen Reaktionen kommt es zu einer Reaktion der einzelnen Stoffe, bei der Energie freigesetzt wird. Ein gutes Beispiel für eine solche Reaktion ist ein Wärmepflaster.
Sobald Sie es aus der Verpackung nehmen, kommt es mit Sauerstoff in Kontakt, wodurch die chemische Reaktion startet und am Ende das Pflaster warm wird. In anderen Fällen braucht es Energie, um die Reaktion überhaupt in Gang zu setzen. Beispiel Holz: Erst, wenn Sie mit einem Streichholz ausreichend thermische Energie durch Reibung zuführen, beginnt die Verbrennung. Dann spricht man von der sogenannten Aktivierungsenergie.
Bei endothermen Reaktionen kommt ebenfalls Energie zum Einsatz. Allerdings wird sie nicht freigesetzt, sondern dazu benötigt, Energie umzuwandeln. Ein anschauliches Beispiel dafür sind Kühlpacks. Man nutzt sie bei Schwellungen, Zahnschmerzen oder Sportverletzungen. Die Kühlpacks entfachen ihre kühlende Wirkung nicht, indem man sie kühl lagert, sondern durch die zwei Stoffe, die in getrennten Kammern liegen. Sobald sich diese mischen, beginnt eine chemische Reaktion, die Energie aus der Umgebung benötigt. Diese wird der Umwelt entzogen und schon wirken die Kältepacks kühlend.
Praktische Anwendungen
Chemische Reaktionen finden nicht nur im Labor unter wissenschaftlichen Bedingungen statt. Wir erleben sie täglich. Hier einige paar Beispiele für chemische Reaktionen im Alltag:
- Eine Brausetablette löst sich im Wasser auf.
- Beim Lagerfeuer verbrennt Holz.
- Gegenstände aus Eisen sind dem Regen ausgesetzt und rosten.
- Trauben, die zu Wein vergären
- Früchte, Fruchtzucker und Hitze lassen Marmelade entstehen.
- Arzneimittel werden durch gezielte chemische Reaktionen produziert.
Ein Beitrag von:
