Chemische Reaktionen

Die Umwandlung eines Stoffes in einen anderen nennt man „chemische Reaktion“. Sie lässt sich mittels einer Summenformelschreibweise darstellen, die es auch erlaubt, die Mengenverhältnisse anzugeben, in denen die einzelnen Teilchen miteinander reagieren. Für ein leichteres Verständnis werden Reaktionen gemäß ihrer Eigenschaften in Kategorien eingeteilt, mit denen sich recht gut vorhersagen lässt, was passieren wird, wenn zwei Stoffe miteinander vermischt werden. Außerdem kann man bestimmen, welche Mengen eines Stoffes für eine Reaktion benötigt werden, welche Konzentration eine Lösung hat und vieles mehr.

Die meisten chemischen Reaktionen sind keine „Einbahnstraßen“, sie verlaufen also nicht nur in eine Richtung: Zwischen einer Reaktion (Ausgangsstoffe werden zu Produkten) und ihrer Rückreaktion (Produkte wandeln sich wieder in Ausgangsstoffe um) stellt sich in einem Reaktionsgemisch ein Gleichgewicht ein, das mit dem sog. „Massenwirkungsgesetz“ beschrieben werden kann. Aufgrund dieses Gleichgewichts vermindert sich auch die Ausbeute chemischer (Hin‑)Reaktionen. Möchte man dennoch, dass die Ausgangsstoffe (die sog. Edukte) vollständig in Produkt umgewandelt werden, muss man geeignete Reaktionsbedingungen schaffen, die mithilfe des „Prinzips von Le Chatelier“ bestimmt werden können.

Schließlich wird hier auch noch auf die „Kinetik“ chemischer Reaktionen eingegangen, die Aussagen darüber trifft, mit welcher Geschwindigkeit chemische Reaktionen ablaufen.

Chemische Verbindungen bestehen aus verschiedenen Elementen, wie unter: Aufbau der Materie nachgelesen werden kann. Um sie richtig beschreiben zu können, ist es wichtig, die Mengenverhältnisse der einzelnen Komponenten zu erfassen. Dies gilt genauso für die chemische Umwandlung von Verbindungen, die man allgemein als „chemische Reaktionen“ bezeichnet. Auch hier gibt es feste Mengenverhältnisse, in denen die Komponenten der Reaktion zu einander stehen.

Summenformeln

Wo die genaue Struktur von Molekülen oder großen Raumstrukturen wie Metallen und Salzen nicht wichtig ist, verwendet man zur vereinfachten Darstellung eine sogenannte Summenformel, die lediglich die Anzahl der beteiligten Atome angibt. Je größer die Zahl der Atome, aus denen ein Molekül zusammengesetzt ist, desto mehr Möglichkeiten gibt es, wie sich diese miteinander verbinden können. Es verwundert daher nicht, dass die Summenformel bei großen Molekülen nicht mehr ausreicht, um eindeutig festzulegen, um welches Molekül es sich handelt. Für diesen Fall ist es unerlässlich, die Verknüpfung der Atome mittels einer sog. Strukturformel darzustellen. Die Entwicklung von Strukturformeln ist im Detail unter: Darstellung von Molekülen beschrieben.

Regeln zur Entwicklung von Summenformeln

1. Alle beteiligten Elemente werden mit ihren Elementsymbolen aufgeschrieben.
2. Kommt ein Element mehrfach vor, schreibt man seine Anzahl mit tiefgestellter Zahl hinter das Elementsymbol.
3. Ladungen (Art und Zahl) werden hochgestellt hinter das jeweilige Ion geschrieben.
4. Bei großen Raumstrukturen betrachtet man die kleinstmögliche Verhältniseinheit
5. Für die Elementreihenfolge gilt:
   1. Kationen werden vor Anionen genannt.
   2. Bei organischen Verbindungen werden zuerst die C-Atome genannt, dann die H-Atome und schließlich die anderen Elemente in alphabetischer Reihenfolge.
6. Sonderregeln für Komplexe:
   1. Eckige Klammern umschließen alle Elemente, die Teil des Komplexes sind.
   2. Innerhalb der eckigen Klammern setzt man runde Klammern um alle Elemente, die zu einem Liganden gehören
   3. Kommt ein Ligand mehrfach vor, dann wird die Anzahl als tiefgestellte Zahl hinter die runde Klammer um den Ligand geschrieben.

Beispiele

Salze und Metalle sehen in der Summenformelschreibweise auf den ersten Blick genau so aus wie Moleküle. Es ist daher wichtig, dass man sich bewusst macht, dass es sich in der Praxis um große räumliche Strukturen handelt!

Summenformeln organischer Moleküle sind oft nicht eindeutig, da sie die Verknüpfung der Atome untereinander nicht wiedergeben können. So steht die Summenformel von Glucose (C₆H₁₂O₆) noch für über zehn weitere unterschiedliche Zuckermoleküle, darunter Galactose, Fructose, Mannose und Inositol!

Chemische Reaktionen

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen, bei denen aus Ausgangsstoffen (= Edukte) neue Stoffe (= Produkte) entstehen. Prinzipiell können alle Stoffe (Elemente, Moleküle, Ionen oder Radikale) miteinander reagieren. Man stellt sie mit Hilfe der sogenannten chemischen Gleichung dar:

Die chemische Gleichung

• Edukte: Die Stoffe, aus denen etwas neues entsteht; stehen immer vor dem Reaktionspfeil, meistens ist das links in der chemischen Gleichung
• Produkte: Die Stoffe, die in einer Reaktion neu entstehen; stehen immer hinter dem Reaktionspfeil, meistens ist das rechts in der chemischen Gleichung
• Reaktionspfeil
  • Verbindet Edukte und Produkte
  • Pfeilspitze zeigt die Richtung der Reaktion an
  • Mehrere Pfeile hintereinander sind eine Kurzschreibweise dafür, dass mehrere Reaktionsschritte zwischen den angegebenen Edukten und Produkten liegen
    • Gleichgewichtspfeil
      • Aussehen: Zwei Pfeile, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen, werden übereinander geschrieben „⇄“
      • Verwendung: Für eine Reaktion, die in beide Richtungen abläuft
    • Mesomeriepfeil
      • Aussehen: Ein Pfeil, der an beiden Enden eine Spitze hat „↔︎“
      • Verwendung: Nur zur Darstellung von Mesomerie!
    • Gebogene Reaktionspfeile
      • Aussehen: Gebogene Pfeile zeigen i.d.R. nur in eine Richtung
      • Verwendung
        • Für Reaktionsfolgen, die einen kreisförmigen Prozess ergeben (z.B. Citratzyklus)
        • Um für einen Reaktionsschritt zugegebene Hilfsstoffe (= Reaktanden) oder/und Nebenprodukte anzugeben
        • Um bei organischen Reaktionen zu zeigen, wie sich die Elektronendichte während der Reaktion verschiebt
  • Beschriftung an Reaktionspfeilen
    • Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur, pH-Wert usw.)
    • Reaktanden, die nicht auf der Eduktseite genannt werden (z.B. Katalysatoren, Säuren, Lösungsmittel usw.)
    • Nebenprodukte, die nicht auf der Produktseite genannt werden (z.B. entweichende Gase, Wasser, ausfallende Feststoffe usw.)
  • Bilanz
    • Ladungsbilanz: Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils muss sich dieselbe Ladungssumme ergeben.
    • Massenbilanz: Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils muss die jeweilige Anzahl eines Atomtyps (d.h. seines Elementsymbols) übereinstimmen.

Darstellung einer chemischen Gleichung

Ein Beispiel für eine einfache chemische Gleichung ist x A + y B ⇄ z C; man liest diese Kurzschreibweise wie folgt: x Teilchen der Sorte A reagieren mit y Teilchen der Sorte B zu z Teilchen der Sorte C. A, B und C stehen hier für jede beliebige Art von Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen...); x, y und z sollten die kleinstmöglichen ganzen Zahlen sein.

• Strukturformelschreibweise: Die beteiligten Teilchen (A, B und C) werden mittels Lewis-Strukturformeln dargestellt (Erklärung siehe → Lewis-Strukturformel)
  • Verwendung: V.a. bei organischen Reaktionen und wenn man ganz genau darstellen möchte wie sich die Elektronen während der Reaktion verschieben
• Summenformelschreibweise: Die beteiligten Teilchen (A, B und C) werden mittels Summenformel dargestellt (s.o.)
  • Verwendung: V.a. für anorganische Reaktionen geeignet

Da es sich bei Reaktionsgleichungen um Gleichungen handelt, ist es wichtig, dass die Produktseite und die Eduktseite tatsächlich auch ausgeglichen sind!

Pfeile und Komplexverbindungen: Manchmal findet man Pfeile innerhalb von Strukturformeln für Komplexe. Diese zeigen KEINE Reaktion an, sondern sind eine veraltete – und eigentlich falsche – Darstellung koordinativer Bindungen!

Reaktionstypen

Reaktionen werden nach den Vorgängen klassifiziert, die im Laufe der Stoffumwandlung stattfinden. Diese Einteilung soll eine Hilfestellung sein, um Gemeinsamkeiten zwischen bestimmten Reaktionstypen deutlich zu machen.

Die wichtigsten Reaktionstypen (die auch im Detail noch beschrieben werden) sind:

• Redoxreaktionen: Übertragung von Elektronen; Redoxreaktionen werden detailliert unter: Redoxchemie vorgestellt.
• Säure-Base-Reaktionen: Übertragung von Protonen; Säure-Base-Reaktionen werden detailliert unter: Säure-Basen-Haushalt vorgestellt.
• Fällungsreaktionen: Reaktionen, bei denen ein Bestandteil als unlöslicher Feststoff ausfällt
• Komplexreaktionen: Reaktionen unter Beteiligung von Komplexen
• Organische Reaktionen
  • Additionsreaktionen: Reaktionen, bei denen ein Molekül eine neue funktionelle Gruppe hinzu bekommt
  • Eliminierungsreaktionen: Reaktionen, bei denen ein Molekül eine funktionelle Gruppe abspaltet
  • Substitutionsreaktionen: Reaktionen, bei denen ein Molekül eine funktionelle Gruppe durch eine andere austauscht

Eine Reaktion kann unter Umständen in mehrere dieser Kategorien fallen!

Stöchiometrisches Rechnen

Durch Summenformeln und chemische Gleichungen werden die Mengenverhältnisse, in denen Stoffe miteinander reagieren, genau angegeben. Dadurch kann man auf die Stoffportionen oder "Stoffmengen" zurückschließen, die man zusammengeben muss, wenn man eine bestimmte Reaktion durchführen möchte. Solcherlei Rechnungen bezeichnet man als "stöchiometrisch" (griech.: stoicheion = Grundstoff, metron = Maß). Um nicht mit einer großen Anzahl von Teilchen rechnen zu müssen, wurde hierfür als Grundeinheit das "Mol" definiert. 1Mol entspricht der Zahl von C-Atomen, die in 12g Kohlenstoff enthalten sind:

1 Mol = 6 × 10²³ Teilchen = N_A (= Avogadro-Konstante)

Die Masse eines Mols Teilchen in Gramm ist gleich der Masse des Teilchens in Unit oder Dalton (1 u = 1 Da = 1/12 der Masse des Kohlenstoffatoms)!

Mathematische Konsequenzen

Mit Hilfe des Mols lassen sich nun ganz einfach Berechnungen anstellen. Mit den folgenden Gleichungen können, ggf. durch Umformung und Einsetzen, alle stöchiometrischen Fragestellungen beantwortet werden.

• Stoffmenge: n = N / N_A
  • n = Stoffmenge in Mol, N = Zahl der vorhandenen Teilchen, N_A = Teilchenzahl in einem Mol
  • val (Einheit): Die Einheit val ist eine veraltete Einheit der Stoffmenge, die aber in der Medizin noch häufig verwendet wird. Die Stoffmenge in Mol kann in die Stoffmenge in val umgerechnet werden, indem man sie mit seiner Valenz (der maximalen Zahl an einfach gebundenen Bindungspartnern) multipliziert.
• Molare Masse: M = m / n
  • Einheit: g / Mol
  • M = Molare Masse, m = Masse in g, n = Stoffmenge in Mol
• Stoffmengenkonzentration: c = n / V
  • Einheit: mol / L
  • c = Konzentration, n = Stoffmenge in Mol, V = Volumen in L
  • Massenanteil: Man kann statt der Konzentration auch den Massenanteil, also den Quotienten aus einer bestimmten Masse bezogen auf die Gesamtmasse, angeben
    • Z.B. bei einer Mischung von 0,9 g Natriumchlorid mit 99,1 g Wasser erhält man eine 0,9%ige Kochsalzlösung
  • Mischung von Lösungen unterschiedlicher Konzentration: Die Konzentration der Mischung berechnet sich als Summe der Produkte aus den einzelnen Konzentrationen und deren jeweiligen Anteilen am Volumen der Mischung
    • Z.B. bei einer 1:1-Mischung zweier Lösungen unterschiedlicher Konzentration: 0,5 × 2 mol/L + 0,5 × 5 mol/L = 1 mol/L + 2,5 mol/L = 3,5 mol/L
• Massenkonzentration: c = m / V
  • Einheit: mg / L
  • c = Konzentration, m = Masse des gelösten Stoffes in mg oder seltener g, V = Volumen in L

Beispielrechnung 1 – Berechnung der Konzentration

Es wird ein Liter Kochsalzlösung im Verhältnis 10 g NaCl auf 100 mL Wasser hergestellt. Die molare Masse von Natriumchlorid ist 60 g/mol. Nun wird dieser Liter Lösung mit 4 L Wasser verdünnt. Wie hoch ist die Konzentration der verdünnten Lösung?

• Gesucht: Konzentration c
• Gegeben: Volumen der Lösung V, Masse des gelösten Stoffs m, molare Masse des gelösten Stoffs M
  • Da 1 L 10 × 100 mL, muss hier mit 100 g Kochsalz gerechnet werden
  • M = m / n ⇔ n = m / M => n_NaCl = 100 g / 60 g/mol = 1,7 mol
  • c = n / V => in 1 L dieser Flüssigkeit liegen also 100 g NaCl vor => c_NaCl = 1,7 mol/L
  • Wird die Flüssigkeit verdünnt, dann befinden sich 1,7 mol in 5 L => c_NaCl = n / V = 1,7 mol / 5 L = 0,34 mol/L

Beispielrechnung 2 – Berechnung der Stoffmenge

Wie bestimmt man die Stoffmenge in einem 3 g schweren Würfel Zucker (= Glucose)?

• Gesucht: Stoffmenge n
• Gegeben: Masse m
  • Das Molekül Glucose hat die Summenformel C₆H₁₂O₆
  • 1 Mol des Moleküls Glucose enthält also 6 mol C-Atome, 12 mol H-Atome und 6 mol O-Atome
  • Die relative Masse von Glucose ist 6 × 12 u (für Kohlenstoff) + 12 × 1 u (für Wasserstoff) + 6 × 16 u (für Sauerstoff) = 180 u
  • Die Masse von 1 Mol Glucose ist gleich der relativen Masse des Moleküls in g => 1 Mol Glucose wiegt 180 g
  • Da die Masse m der Portion Glucose nur 3 g ist, kann man rechnen: M = m / n ⇔ n = m / M => n = 3 g / 180 g = 0,017 mol

Beispielrechnung 3 – Berechnung von Reaktionskomponenten

Glucose reagiert nach folgender chemischer Gleichung mit Sauerstoff:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Wieviel Mol Sauerstoff (O₂) werden benötigt, um 90 g Glucose umzusetzen?

• Gesucht: Stoffmenge n in Abhängigkeit von der Stöchiometrie der Reaktion
• Gegeben: Stöchiometrie der Reaktion (1:6), Masse m
  • M (die molare Masse) Glucose = 180 g/mol (siehe Beispiel 2) => 90 g Glucose ≅ 0,5 mol = n
  • Glucose und Sauerstoff reagieren miteinander im Verhältnis 1:6, d.h. n_O2 = 6 × n_Glucose = 3 mol

Beispielrechnung 4 – Berechnung eines Massenanteils

Wieviel g Stickstoff stecken in 30 g Harnstoff?

• Gesucht: Masse m in Abhängigkeit der Mengenverhältnisse in einer Summenformel
• Gegeben: Masse m
  • Harnstoff hat die Summenformel CH₄N₂O, man braucht also 2 Stickstoffatome pro Harnstoffmolekül, 1 mol Harnstoff enthält also 2 mol N-Atome
  • M_Harnstoff= 1 × 12 u + 4 × 1 u + 2 × 14 u + 1 × 16 u = 60 g/mol
  • M = m / n ⇔ n = m / M; insgesamt liegen also n = m / M = 30 g / 60 g/mol = 0,5 mol Harnstoff vor
  • In den 0,5 mol Harnstoff befinden sich 1 mol N-Atome
  • Die molare Masse von Stickstoff ist 14 g/mol. Das im Harnstoff enthaltene Mol Stickstoffatome wiegt also 14 g. Anders gesagt: Von 30 g Harnstoff gehen 14 g auf den Stickstoff.

Die chemische Gleichung A + B → C + D ist fast immer eine Vereinfachung der tatsächlich vorliegenden Situation. Da man, sobald die Reaktion beginnt, ein Gemisch aus A, B, C und D in einem Reaktionsgefäß hat, kann die sog. Rückreaktion, also C + D → A + B ebenfalls auftreten, auch wenn sie vielleicht viel seltener passiert. Eine solche umkehrbare Reaktion nennt man auch reversibel. Dies bezeichnet man als chemisches Gleichgewicht einer Reaktion, das mit dem sog. Gleichgewichtspfeil (⇄) gekennzeichnet wird: A + B ⇄ C + D.

Massenwirkungsgesetz

In welchem Verhältnis die Reaktion und ihre Rückreaktion zueinander stehen (also ob eine von beiden wesentlich häufiger vorkommt oder ob beide ähnlich oft und schnell passieren) kann man mathematisch über die Gleichgewichtskonstante der Reaktion angeben :

• Massenwirkungsgesetz: Für eine Reaktion a A + b B ⇄ c C + d D gilt : K = (c^c(C) × c^d(D)) / (c^a(A) × c^b(B))
  • K = Gleichgewichtskonstante, c(C) = Konzentration des Stoffes C, c(D) = Konzentration des Stoffes D, c(A) Konzentration des Stoffes A, c(B) = Konzentration des Stoffes B; a, b, c, d = stöchiometrische Faktoren
  • Wichtige Fakten zur Gleichgewichtskonstanten K
    • K >1: Das Reaktionsgleichgewicht liegt auf Seiten der Produkte (die Hinreaktion überwiegt)
    • K <1: Das Reaktionsgleichgewicht liegt auf Seiten der Edukte (die Rückreaktion überwiegt)
    • Kinetik: Die Gleichgewichtskonstante K wird auch verwendet, um die Kinetik einer Reaktion zu beschreiben (s.u.)
    • Enzymkinetik: Bei enzymatischen Reaktionen können aus der Gleichgewichtskonstanten einer Reaktion und ihrer Veränderung weitere Aussagen getroffen werden, z.B. über die Effektivität eines Enzyms und vorliegende Inhibitionsmechanismen. Für Details siehe: Enzyme und Biokatalyse

Beispielrechnung

Für eine Reaktion Fe₂O₃ + 3 CO ⇄ 2 Fe + 3 CO₂ gilt c(Fe₂O₃) = 0,001 mol/L; c(CO) = 0,1 mol/L; c(Fe)= 0,05 mol/L, c(CO₂) = 0,03 mol/L. Berechne die Gleichgewichtskonstante.

• Gesucht: Gleichgewichtskonstante K
• Gegeben: Summenformel der Reaktion, Konzentrationen c
  • → Für diese Reaktion gilt dann das Massenwirkungsgesetz K = (c³(CO₂) × c²(Fe)) / (c(Fe₂O₃) × c³(CO))
  • → (0,03³ × 0,05²) / (0,001 × 0,1³) = 0,0675
  • Aus der Gleichgewichtskonstante k = 0,0675 kann abgelesen werden, dass unter den gegebenen Bedingungen die Reduktion von Eisenoxid zu Eisen nicht vollständig abläuft und, da K <1 ist, unter diesen Bedingungen die Rückreaktion (Fe → Fe₂O₃) bevorzugt wird.

Löslichkeit

Die maximale Menge eines Stoffes, die „in Lösung gehen“ kann, wird analog zu einer chemischen Reaktion über ein Gleichgewicht beschrieben. Für dieses Gleichgewicht lässt sich dann auch das Massenwirkungsgesetz aufstellen, das in diesem Spezialfall auch „Löslichkeitsprodukt“ genannt wird. Überschreitet man die Löslichkeit eines Stoffes, bildet sich ein Bodensatz aus Feststoff. Polare Stoffe lösen sich gut in polaren Lösungsmitteln (z.B. Salze in Wasser), dafür aber nicht in unpolaren Lösungsmitteln. Unpolare Stoffe lösen sich schlecht in polaren Lösungsmitteln (z.B. Öl in Wasser), dafür aber gut in unpolaren Lösungsmitteln.

• „Reaktionsgleichung“ für die Lösung eines Stoffs AB in einem Lösungsmittel: x AB_(fest) ⇄ y A⁺_(gelöst) + z B^-_(gelöst)
  • Löslichkeitsprodukt: K_L = c^y(A⁺_(gelöst)) × c^z(B^-_(gelöst))
    • Einheit: Variiert je nach der Zahl der beteiligten Ionen – für jedes Ion kommt einmal der Faktor mol/L dazu
    • K_L = Gleichgewichtskonstante für den Lösungsprozess, c = Konzentrationen, x, y, z = stöchiometrische Faktoren
  • Löslichkeit: Das Produkt aus den Konzentrationen der gelösten Ionen gibt an, wie gut ein Stoff gelöst werden kann
    • K_L groß = gute Löslichkeit
    • K_L klein = schlechte Löslichkeit
  • Energieänderung bei Lösungsvorgängen
    • Exotherm: Löslichkeitsprozess setzt Energie frei
      • Gemisch erwärmt sich
    • Endotherm: Lösungsvorgang benötigt Energie
      • Gemisch kühlt sich ab

Gleiches löst sich in Gleichem!

Das oben beschriebene Löslichkeitsprodukt gilt auch für die Ionen H⁺ (bzw. H₃O⁺) und OH^-, die den pH-Wert einer Lösung bestimmen. Siehe hierzu: Chemische Grundlagen zu Säuren und Basen!

Barium
Eine Vergiftung mit Bariumsalzen kann zu schwerwiegenden Symptomen wie Lähmungen, gastrointestinalen Störungen, Herz-Kreislauf-Störungen und Krämpfen oder sogar zum Tod führen. Sie lässt sich im Akutfall durch die orale Gabe von Na₂SO₄ (Glaubersalz) therapieren. Dabei entsteht das schwer lösliche BaSO₄, das über den Stuhl ausgeschieden wird. Da Bariumsulfat im Gastrointestinaltrakt nicht resorbiert wird und keine Eigenwirkung hat, eignet es sich außerdem als Kontrastmittel bei radiologischen Untersuchungen wie dem Ösophagusbreischluck oder dem Kolon-Doppelkontrasteinlauf.

Beispielrechnung

Das Löslichkeitsprodukt von Bariumsulfat beträgt K_L = 1×10^-9mol²/L². Wie groß ist die Konzentration von Bariumionen in einer Sulfatlösung höchstens?

• Gesucht: c(Ba²⁺)
• Gegeben: Löslichkeitsprodukt K_L(BaSO₄)
  • Die Gleichung für den Lösungsprozess von Bariumsulfat lautet: BaSO₄(fest) ⇄ Ba²⁺ (aq) + SO₄^2- (aq)
  • Das Löslichkeitsprodukt gibt die maximale Löslichkeit eines Feststoffs an und berechnet sich als K_L= c(Ba²⁺) × c(SO₄^2-)
  • Da die Konzentrationen beider Ionen gleich ist c(Ba²⁺) = c(SO₄^2-) folgt für die maximale Konzentration der Barium-Ionen √K_L = c(Ba²⁺) = √(1×10^-9mol²/L²) = 0,00003 mol/L

Bestimmung und Beeinflussung von Gleichgewichtslagen

Die Lage eines Reaktionsgleichgewichts entspricht dem Verhältnis von Hin- und Rückreaktion und kann daher über das Verhältnis von Produkten und Edukten zueinander (d.h. über das Massenwirkungsgesetz) beschrieben werden (s.o.). Man kann die Lage eines Reaktionsgleichgewichts aber auch aktiv beeinflussen, wenn man die richtigen Parameter für die Reaktion kennt. Dies wird vom sog. Le-Chatelier-Prinzip, dem „Prinzip des kleinsten Zwangs“, beschrieben.

Definition: Übt man auf ein chemisches Gleichgewicht einen Zwang aus, dann verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass der Zwang abgebaut wird.

Redoxreaktionen und Säure-Basen-Reaktion sind, wie schon erwähnt, besonders elementare Kategorien chemischer Reaktionen. Sie werden daher gesondert unter: Redoxchemie und: Säure-Basen-Haushalt beschrieben. Hier folgt ein Überblick über diverse weitere Möglichkeiten, Reaktionen zu klassifizieren. Diese Einteilungen werden oft nach bestimmten reagierenden Stoffgruppen oder gemeinsamen Reaktionsverläufen vorgenommen. Im Folgenden werden nur die relevantesten Reaktionstypen kurz beschrieben.

Fällungsreaktion

Hierzu gehören alle Reaktionen, bei denen im Verlauf ein Feststoff entsteht, der – wegen seiner geringen Löslichkeit – sofort als Bodensatz ausfällt (s.o.). Das Besondere an Fällungsreaktionen ist, dass der ausfallende Stoff aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt wird (abhängig von der Löslichkeit des Stoffes evtl. sogar fast vollständig). Dadurch verlagert sich das Reaktionsgleichgewicht sehr stark auf die Seite der Produkte.

Komplexreaktion

Hierzu gehören alle Reaktionen, an denen Komplexe beteiligt sind. Da dies eine sehr allgemeine Einteilung ist, werden Komplexreaktionen nochmal in zwei verschiedene Prozesse unterteilt.

• Komplexbildung
  • Definition: Eine Reaktion, bei der sich Liganden um ein Zentralteilchen formieren und sich über eine Komplexbindung verbinden
  • Beispiel: Fe²⁺ + 6 H₂O ⇄ [Fe(H₂O)₆]²⁺
  • Chelateffekt: Liganden mit mehreren Bindungsstellen (sog. mehrzähnige Liganden) binden nach der ersten Bindung schneller mit ihren weiteren Bindungsstellen an das Zentralteilchen als separate Liganden
• Ligandenaustauschreaktion
  • Definition: Eine Reaktion, bei der ein schwach bindender Ligand in einem Komplex durch einen stärker bindenden Liganden ausgetauscht wird
  • Beispiel: [Fe(H₂O)₆]²⁺ + 6 CN^- ⇄ [Fe(CN)₆]^4- + 6 H₂O

Hydrolyse

Zur Kategorie Hydrolyse gehören alle Reaktionen, bei denen ein Molekül durch ein Wassermolekül gespalten wird.

• Allgemeine Reaktionsgleichung: A-B + H₂O ⇄ A-OH + B-H
• Wichtige Beispiele
  • Esterhydrolyse: R₁-COO-R₂ + H₂O ⇄ R₁COOH + R₂-OH
    • Fettsäure-Hydrolyse: Triglycerid + 3 H₂O ⇄ Glycerol + 3 Fettsäure
  • ATP-Hydrolyse: ATP⁴⁻ + H₂O → ADP³⁻ + HPO₄²⁻ + H⁺
  • Polysaccharid-Hydrolyse: Saccharose + H₂O ⇄ Glucose + Fructose
  • Protein-Hydrolyse

Grundreaktionen in der organischen Chemie

In der organischen Chemie gibt es Hunderte von Reaktionen, die man auch "Namensreaktionen" nennt, weil der Forscher, der sie entdeckt hat, sie normalerweise nach sich benennt. Diese Reaktionen sind fast ausnahmslos spezielle Fälle und für Nicht-Chemiker lohnt es sich daher kaum, sie zu kennen. Es gibt jedoch vier übergreifende Prinzipien zur Klassifizierung von Reaktionen in der organischen Chemie, nämlich die Einteilung in Additionen, Eliminierungen, Substitutionen und Umlagerungen.

• Additionsreaktion
  • Definition: Hierzu gehören alle Reaktionen, in deren Verlauf sich zwei Moleküle, eines davon mit mindestens einer Mehrfachbindung, verbinden.
  • Reaktionsgleichung
    • Beispiel: Hydratisierung, eine Reaktion bei der ein Wassermolekül an eine Doppelbindung addiert und so ein Alkohol entsteht
• Eliminierungsreaktion
  • Definition: Hierzu gehören alle Reaktionen, in deren Verlauf aus einem Molekül einzelne Atome oder aber auch ein ganzer Teil des Moleküls abgespalten wird.
  • Reaktionsgleichung: R-C-C-A ⇄ R-C=C + A
    • Beispiel: Dehydratisierung, eine Reaktion, bei der ein Wassermolekül abgespalten wird und eine Doppelbindung entsteht
• Substitutionsreaktion
  • Definition: Hierzu gehören alle Reaktionen, in deren Verlauf ein Atom oder eine ganze Gruppe von Atomen in einem Molekül durch eine andere ausgetauscht werden.
  • Reaktionsgleichung: A + R-B ⇄ A-R + B
• Umlagerungsreaktion
  • Definition: Hierzu gehören alle Reaktionen, in deren Verlauf die Verknüpfung der Atomgruppen innerhalb eines Moleküls verändert wird.
    • Beispiel: Konstitutionsisomere wie Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat in Phase 2 der Glykolyse

Die Kinetik beschäftigt sich mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen oder physikalischer Transportprozesse. Sie ist neben der Thermodynamik das zweite wichtige Kriterium dafür, ob ein Prozess abläuft oder nicht.

• Stoßtheorie: Besagt, dass die Geschwindigkeit einer Reaktion vom Zusammenstoß der Moleküle im Reaktionsgemisch abhängt
• Kriterien für das Ablaufen einer Reaktion
  • Konzentration: Je größer die Konzentration der reagierenden Stoffe, desto wahrscheinlicher wird das Aufeinandertreffen der Moleküle und desto schneller die Reaktion
  • Energie: Aufeinandertreffende Teilchen benötigen eine Mindestenergie, damit der Stoß zur Reaktion führt
  • Räumliche Orientierung: Teilchen müssen mit einer bestimmten räumlichen Orientierung aufeinandertreffen, damit der Stoß zur Reaktion führt

Aktivierungsenergie

Die Arrhenius-Gleichung formuliert die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion in Abhängigkeit von der Aktivierungsenergie dieser Reaktion und der Umgebungstemperatur, die als Wärmereservoir der Reaktion dient.

Formel: k = A × e ^{(-E / R × T)}

• k = Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, A = Vorfaktor, E = Aktivierungsenergie, R = Gaskonstante, T = Temperatur
• Eine sehr hohe Aktivierungsenergie im Exponenten lässt den exponentiellen Faktor und damit die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k gegen Null gehen.
• Eine höhere Umgebungstemperatur im Nenner des Exponenten erhöht den exponentiellen Faktor und somit auch k.

Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist mathematisch die Ableitung der Konzentration eines Edukts nach der Zeit.

Formel: v = dc / dt

• v = Reaktionsgeschwindigkeit, dc = Änderung der Edukt-Konzentration, dt = Änderung der Zeit
• Halbwertszeit (t_1/2): Entspricht der Zeit, in der genau die Hälfte des Gemisches reagiert hat
  • In einem Konzentrations(Zeit)-Diagramm lässt sich der Wert für t_½ direkt bei ½c_max ablesen

Wie schnell eine Reaktion abläuft, hat nichts mit der Energetik (d.h. der Thermodynamik) der Reaktion zu tun!

Reaktionsordnung

Da die Geschwindigkeit einer Reaktion damit zusammenhängt, wie häufig sich die Teilchen im Reaktionsgemisch treffen, hängt sie auch davon ab, wie viele Teilchen für die Reaktion überhaupt aufeinandertreffen müssen. Diese Überlegung führt zu einer Klassifikation der Reaktionen über die sog. Reaktionsordnung:

• Reaktion 0. Ordnung: Reaktionsgeschwindigkeit v hängt nicht von der Konzentration der Edukte oder Produkte ab.
  • Formel: v = k
    • v = Reaktionsgeschwindigkeit, k = Geschwindigkeitskonstante
  • Allgemeine Reaktionsgleichung: A → B
  • Beispiel: Lichtabhängige Reaktionen
• Reaktion 1. Ordnung: Reaktionsgeschwindigkeit v hängt von der Konzentration eines der beteiligten Stoffe ab.
  • Formel: v = k × c(A)
    • v = Reaktionsgeschwindigkeit, k = Geschwindigkeitskonstante, c(A) = Konzentration des Stoffs A
  • Allgemeine Reaktionsgleichung: A → B + C
  • Beispiele: Katalytische Reaktionen, radioaktiver Zerfall
  • Halbwertszeit: Unabhängig von der Konzentration der Edukte
    • Reaktionsverlauf: Nach t_½ sind noch 50% der Edukte vorhanden, nach 2t_½ sind noch 25% der Edukte vorhanden, nach 3t_½ noch 12,5% usw.
• Reaktion 2. Ordnung: Reaktionsgeschwindigkeit v hängt von der Konzentration zweier beteiligter Stoffe ab.
  • Formel: v = k × c(A) × c(B)
    • v = Reaktionsgeschwindigkeit, k = Geschwindigkeitskonstante, c(A) = Konzentration des Stoffs A, c(B) = Konzentration des Stoffs B
  • Allgemeine Reaktionsgleichung: A + B → C
  • Beispiele: Die meisten Reaktionen zweier Moleküle in Lösung verlaufen so.
• Reaktion 3. Ordnung: Reaktionsgeschwindigkeit v hängt von der Konzentration dreier beteiligter Stoffe ab.
  • Formel: v = k × c(A) × c(B) × c(C)
    • v = Reaktionsgeschwindigkeit, k = Geschwindigkeitskonstante, c(A) = Konzentration des Stoffs A, c(B) = Konzentration des Stoffs B, c(C) = Konzentration des Stoffs C
  • Allgemeine Reaktionsgleichung: A + B + C → D
  • Beispiel: Diese Reaktionen laufen so gut wie nie in dieser Form ab, da es sehr unwahrscheinlich ist, dass drei Teilchen gleichzeitig aufeinander treffen.

Gekoppelte Reaktionen

Reaktionen, an denen mehrere Komponenten beteiligt sind, laufen in der Praxis meist in mehreren aufeinanderfolgenden Einzelschritten, den sog. Elementarreaktionen, ab. Dadurch entsteht eine Kette von Reaktionen, die alle miteinander in Beziehung stehen. Man nennt solche Reaktionen auch gekoppelt. Es sind verschiedene Szenarien denkbar, u.a.:

• A → B → C
  • Irreversible Prozesse, die nacheinander ablaufen
  • Geschwindigkeitskonstante k₁ für Reaktion A zu B und k₂ für Reaktion B zu C
  • Massenwirkungsgesetz: k = c(Produkte) / c(Edukte)
  • Berechnung: k_gesamt = c(C) / c(A) = c(B) / c(A) × c(C) / c(B) = k₁ × k₂
• A ⇄ B
  • Reversibler Prozess, bei dem Hin- und Rückreaktion im Gleichgewicht stehen
  • Geschwindigkeitskonstanten k₁ für Hinreaktion und k_-1 für Rückreaktion
• A → B und A → C
  • Zwei Reaktionen, die in Konkurrenz zueinander stehen
  • Geschwindigkeitskonstanten k₁ für Reaktion A zu B, k₂ für Reaktion A zu C

Mengenverhältnisse in Verbindungen und Reaktionen

Was ist ein Mol?

Welche beiden Formeln werden beim stöchiometrischen Rechnen besonders oft benötigt?

Was ist ein Massenanteil?

Wie groß ist die Konzentration einer Lösung, die dadurch entsteht, dass man zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration miteinander mischt?

Reaktionsgleichgewichte

Was ist die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion und was bedeutet es, wenn sie größer als 1 bzw. kleiner als 1 ist?

Schreibe die Formel auf, mit der man das Löslichkeitsprodukt von Magnesiumchlorid berechnen kann.

Ausgewählte Reaktionstypen

Welches Molekül wird für die Umwandlung von ATP zu ADP+P_i benötigt, was passiert mit diesem während der Reaktion und wie nennt man diese Art von Reaktionen?

Welches Molekül bildet sich bei der Hydratisierung von Ethen?

Offene Fragen zum Kapitel Chemische Reaktionen

Suche dir drei beliebige Molekülstrukturen aus einem Chemiebuch und schreibe sie um in Summenformeln.

Schreibe eine Reaktionsgleichung für die Fällung von Calciumcarbonat aus einer Lösung aus Calciumchlorid und Natriumcarbonat auf.

Erkläre das Prinzip von Le Chatelier und erläutere welche Konsequenz sich daraus ergibt, wenn in einer Reaktion ein Gas entsteht, das aus dem Reaktionsgefäß entweichen kann.

Wie unterscheiden sich Reaktionen erster, zweiter und dritter Ordnung voneinander?

In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.

Chemische Reaktionen

Stöchiometrie

Chemisches Reaktionsgleichgewicht

Kinetik und Reaktionsordnung

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