Einführung in die Allgemeine und die Anorganische Chemie: Die chemische Reaktion

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Die Reaktionsgleichung:

Unter einer chemischen Reaktion versteht man eine Stoffumsetzung. Die Ausgangsstoffe nennt man Edukte, die Endstoffe Produkte. Zur Darstellung einer chemischen Reaktion dient eine Reaktionsgleichung. Die Edukte stehen links, die Produkte rechts und zwischen den einzelnen Substanzen steht jeweils ein Pluszeichen. Zwischen den Edukten und Produkten steht ein Reaktionspfeil; der bedeutet soviel wie "setzt sich um zu". Wenn es sich bei der Reaktion um eine Gleichgewichtsreaktion (darüber später mehr) handelt, wird ein Doppelpfeil geschrieben.

${\ce {A + B -> C + D}}$

${\ce {A + B <-> C + D}}$

In solchen Reaktionsgleichungen sind folgende Ergänzungen möglich:

• Angabe eines Katalysators über dem Reaktionspfeil
• Angabe des Aggregatzustandes: liq (oder fl) für liquid (flüssig), sol für solid (fest), aq für Aqua (in Wasser)
• Bei Reaktionen in zumeist wässrigen Lösungen: Pfeil nach oben (↑) für ein entweichendes Gas oder Pfeil nach unten (↓) für einen Niederschlag

Bei einer solchen chemischen Reaktion geht keine Masse verloren, wie der Chemiker Lavoisier 1743 - 1794 festgestellt hat. Es gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse:

Bei einer chemischen Reaktion ist die Summe der Massen der Edukte gleich der Summe der Massen der Produkte!

Arten der chemischen Reaktion:

Nach der Reaktionswärme:

• Exotherme Reaktion (Wärme wird frei)
• Endotherme Reaktion (Energie(Wärme) wird benötigt.)

Nach dem Reaktionsablauf:

• Additionsreaktion
• Eliminierungsreaktion
• Substitutionsreaktion

Nach dem Reaktionsmechanismus:

• Radikalische Reaktion
• Ionische Reaktion (Bei Angriff eines Kations spricht man von Elektrophil, bei Angriff eines Anions von Nucleophil)
• Umlagerungsreaktion

Die Reaktionen nach dem Reaktionsablauf kommen fast nur in der organischen Chemie vor und werden daher auch dort ausführlich besprochen. In der anorganischen Chemie kennt man noch folgende Reaktionstypen:

• Säure-Base-Reaktionen (Protolyse)
• Redoxreaktionen

Die meisten Reaktionen verlaufen nur nach einer Richtung, d.h. von links nach rechts, aber es gibt auch Reaktionen die nur teilweise in einer Richtung stattfinden, dann findet eine Rückreaktion statt. Irgendwann bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Hin- und Rückreaktion aus. Man spricht dann von einer Gleichgewichtsreaktion, z. B.:

${\ce {H_2 + I_2 <-> 2HI}}$

Viele Säure-Base-Reaktionen sind solche Gleichgewichtsreaktionen.

Damit eine Reaktion stattfinden kann, müssen reaktionsfähige Teilchen (Ionen, Moleküle, Radikale) vorhanden sein und beide Teilchen müssen zusammenkommen. Wenn ein Metallatom, z.B. Li ein Elektron abgibt, entsteht ein Li-Kation (Li⁺). Dieses Elektron kann z.B. Cl als Reaktionspartner aufnehmen, hierbei entsteht ein Cl-Anion (Cl^-).

Das ganze kann man mit z.B. Li-Metall und Cl-Gas machen, das dann leuchtende Feuererscheinungen hervorruft. Produkt ist ein Salz.

${\ce {2 Li + Cl_2 -> 2LiCl}}$

Wenn man LiCl in Wasser gibt, löst sich das Salz auf, und es bilden sich Li⁺- und Cl^--Ionen, die sich im Wasser verteilen.

Man kann aber auch hergehen, das Li-Metall in Wasser geben. Auch hier gibt es Feuererscheinungen. Das Li-Metall saust als Kugel geschmolzenen Metalls über die Wasseroberfläche. Es entsteht Li-Hydroxid (Li(OH)) und Wasserstoff, der für die Feuererscheinung verantwortlich ist. Das Li-Hydroxid löst sich sofort im Wasser, und es entsteht alkalisch reagierende Lithiumlauge als wässrige Lösung:

2 Li + 2 H₂O ---> 2 Li⁺ (OH)^- + H₂

Wenn das ganze in Wasser passiert dissoziiert das Li(OH) in Li⁺ und (OH)^-. Wenn man das Wasser verdampfen läßt (nicht über mehrere Wochen verdunsten), erhält man das Salz Li(OH).

Wenn nun Cl₂ in Wasser geleitet wird, reagiert dieses mit dem Wasser unter Bildung von Salzsäure und hypochloriger Säure:

Cl₂ + H₂O ---> H⁺ Cl^- + H⁺ (ClO)^-

Und voilà, wir haben 2 Säuren als Mix hergestellt.

Gießen wir nun die Lithiumlauge und den Mix aus der Salzsäure und der hypochlorigen Säure im stöchiometrischen Verhältnis (2 Mol Säure zu 2 Mol Lauge) zusammen, erhalten wir folgendes:

2 Li⁺(OH)^- + H⁺Cl^- + H⁺(ClO)^- ---> 2 Li⁺ + Cl^- + (ClO)^- + 2 H₂O

Und wo kommt denn nun plötzlich das Wasser her? Ganz einfach (OH)^- + H⁺ ergibt H₂O. An den Ionen wie Li⁺, Cl^- und (ClO)^- ändert sich so gar nichts. Wenn man die Salze haben will muss man das Ganze eindampfen.

Wieso haben wir nun im ersten Falle (Lithium + Chlorgas) und das Produkt ins Wasser gegeben Li⁺ und Cl^- herausbekommen und im zweiten Falle (Jeweils getrennt Lithium ins Wasser und Chlor ins Wasser und anschließend beide wässrigen Lösungen zusammengeschüttet) dann auch Li⁺ und Cl^- herausbekommen, aber zusätzlich auch noch (ClO)^-?

Die Antwort ist ganz einfach: Wenn Li ins Wasser gegeben wird entsteht Wasserstoff (H₂), der zusammen mit Luftsauerstoff zu Wasserdampf verbrennt. Die Menge an Sauerstoff, die hierbei aus der Luft gezogen wird, bleibt beim Chlor in Wasser lösen übrig, da folgende Reaktion auftritt:

Cl₂ + H₂O ---> Cl⁺ + Cl^- + H⁺ + (OH)^- ---> (H⁺ + Cl^-) + (H⁺ + (Cl⁺O^2-)^-)

Die Ionisation von Metallen kann auf verschiedene Weise erfolgen:

1. Z.B. durch Zusammenstöße von Teilchen (z.B. Elektron):

K + e^-_{sehr schnell} ---> K⁺ + e^-_verlangsamt + e^-_getroffen

2. durch Lichtenergie (UV-Lichtanteil), sogenannter Photoeffekt:

K + UV-Licht ---> K⁺ + e^-

Zn + UV-Licht ---> Zn⁺ + e^-