Chemische Reaktionen: Grundlagen

• Chemische Reaktionen sind Prozesse, bei denen sich die Anordnung von Atomen und Molekülen verändert, was zur Bildung neuer Stoffe mit veränderten Eigenschaften führt.

Grundlagen chemischer Reaktionen

• Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion werden als Edukte oder Reagentien bezeichnet.
• Die bei einer chemischen Reaktion entstehenden Stoffe werden als Produkte bezeichnet.
• Chemische Reaktionen werden durch chemische Gleichungen dargestellt, die Edukte, Produkte und stöchiometrische Verhältnisse angeben.
• Chemische Gleichungen müssen ausgeglichen sein, d.h. die Anzahl der Atome jedes Elements muss auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein.

Arten chemischer Reaktionen

• Synthesereaktion: Zwei oder mehr Edukte reagieren zu einem Produkt (A + B → AB).
• Zersetzungsreaktion: Eine Verbindung wird in zwei oder mehr Produkte zerlegt (AB → A + B).
• Einzelersetzungsreaktion: Ein Element ersetzt ein anderes in einer Verbindung (A + BC → AC + B).
• Doppelersetzungsreaktion: Zwei Verbindungen tauschen Ionen oder Atomgruppen aus (AB + CD → AD + CB).
• Verbrennungsreaktion: Eine Substanz reagiert schnell mit Sauerstoff unter Freisetzung von Wärme und Licht.
• Redoxreaktion: Reaktion, bei der Elektronen zwischen Reaktanten übertragen werden; umfasst Oxidation (Elektronenverlust) und Reduktion (Elektronenaufnahme).
• Säure-Base-Reaktion: Reaktion, bei der Protonen (H+) zwischen Säuren und Basen übertragen werden.

Energieänderungen bei chemischen Reaktionen

• Exotherme Reaktionen setzen Energie in Form von Wärme frei (ΔH < 0).
• Endotherme Reaktionen benötigen Energie, um abzulaufen (ΔH > 0).
• Die Reaktionsenthalpie (ΔH) ist die bei einer Reaktion aufgenommene oder freigesetzte Wärmemenge bei konstantem Druck.
• Aktivierungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um eine Reaktion zu starten.

Reaktionsgeschwindigkeit

• Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der Edukte in Produkte umgewandelt werden.
• Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen:
  • Konzentration der Edukte: Höhere Konzentrationen führen in der Regel zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten.
  • Temperatur: Erhöhte Temperatur erhöht in der Regel die Reaktionsgeschwindigkeit.
  • Oberfläche: Eine größere Oberfläche der Edukte erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit.
  • Katalysatoren: Substanzen, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, ohne selbst verbraucht zu werden.

Chemisches Gleichgewicht

• Chemisches Gleichgewicht liegt vor, wenn die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion ist.
• Im Gleichgewichtszustand ändern sich die Konzentrationen von Edukten und Produkten nicht mehr.
• Das Massenwirkungsgesetz (K) beschreibt das Verhältnis der Konzentrationen von Produkten zu Edukten im Gleichgewicht.
• Faktoren, die das chemische Gleichgewicht beeinflussen (Prinzip von Le Chatelier):
  • Änderung der Konzentration: Zugabe von Edukten verschiebt das Gleichgewicht zur Produktseite, Zugabe von Produkten verschiebt es zur Eduktseite.
  • Änderung der Temperatur: Erhöhung der Temperatur begünstigt die endotherme Reaktion, Senkung der Temperatur begünstigt die exotherme Reaktion.
  • Änderung des Drucks/Volumens: Betrifft Reaktionen mit gasförmigen Stoffen; Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht zur Seite mit weniger Gasmolekülen.

Katalyse

• Ein Katalysator ist eine Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ohne selbst bei der Reaktion verbraucht zu werden.
• Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie der Reaktion.
• Homogene Katalyse: Katalysator und Edukte befinden sich in der gleichen Phase.
• Heterogene Katalyse: Katalysator und Edukte befinden sich in unterschiedlichen Phasen.
• Enzyme sind biologische Katalysatoren, die spezifische biochemische Reaktionen beschleunigen.

Säuren und Basen

• Säuren sind Stoffe, die Protonen (H+) abgeben können (Brønsted-Säuren) oder Elektronenpaare akzeptieren können (Lewis-Säuren).
• Basen sind Stoffe, die Protonen aufnehmen können (Brønsted-Basen) oder Elektronenpaare abgeben können (Lewis-Basen).
• Starke Säuren und Basen dissoziieren vollständig in Wasser.
• Schwache Säuren und Basen dissoziieren nur teilweise in Wasser.
• Der pH-Wert ist ein Maß für die Acidität oder Basizität einer Lösung (pH < 7: sauer, pH = 7: neutral, pH > 7: basisch).
• Neutralisation ist die Reaktion zwischen einer Säure und einer Base, bei der Salz und Wasser entstehen.

Redoxreaktionen

• Redoxreaktionen (Reduktions-Oxidations-Reaktionen) beinhalten die Übertragung von Elektronen zwischen Reaktanten.
• Oxidation ist der Verlust von Elektronen, Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.
• Oxidationsmittel sind Stoffe, die Elektronen aufnehmen und dadurch reduziert werden.
• Reduktionsmittel sind Stoffe, die Elektronen abgeben und dadurch oxidiert werden.
• Oxidationszahlen geben die formale Ladung eines Atoms in einer Verbindung an.

Organische Reaktionen

• Organische Reaktionen umfassen Reaktionen zwischen organischen Molekülen (Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten).
• Substitution: Ein Atom oder eine Atomgruppe wird durch eine andere ersetzt.
• Addition: Zwei oder mehr Moleküle verbinden sich zu einem größeren Molekül.
• Eliminierung: Ein Molekül verliert Atome oder Atomgruppen, wodurch eine Doppel- oder Dreifachbindung entsteht.
• Umlagerung: Die Atome innerhalb eines Moleküls ordnen sich neu an.
• Polymerisation: Viele kleine Moleküle (Monomere) verbinden sich zu einem großen Molekül (Polymer).

Stöchiometrie

• Stöchiometrie ist die quantitative Beziehung zwischen Edukten und Produkten in einer chemischen Reaktion.
• Die stöchiometrischen Koeffizienten in einer chemischen Gleichung geben die molaren Verhältnisse der Reaktanten und Produkte an.
• Das Konzept des Mol (6.022 x 10^23 Teilchen) wird verwendet, um Stoffmengen zu quantifizieren.
• Die Molmasse ist die Masse eines Mols einer Substanz und wird in Gramm pro Mol (g/mol) angegeben.
• Mithilfe der Stöchiometrie lassen sich die Mengen an Reaktanten und Produkten berechnen, die bei einer chemischen Reaktion verbraucht oder gebildet werden.

Anwendungen chemischer Reaktionen

• Chemische Reaktionen spielen eine entscheidende Rolle in vielen Bereichen, darunter:
  • Industrielle Chemie: Herstellung von Chemikalien, Kunststoffen, Pharmazeutika usw.
  • Umweltchemie: Abbau von Schadstoffen, Klärung von Abwasser usw.
  • Biochemie: Stoffwechselprozesse in lebenden Organismen.
  • Analytische Chemie: Nachweis und Quantifizierung von Substanzen.
  • Energietechnik: Verbrennung von Brennstoffen, Batterien, Brennstoffzellen usw.

Chemische Reaktionen verändern die Anordnung von Atomen und Molekülen und bilden neue Stoffe. Edukte reagieren zu Produkten, dargestellt in ausgeglichenen chemischen Gleichungen. Es gibt verschiedene Arten wie Synthese, Zersetzung, Einzel- und Doppelersetzung.