3.16: Einführung in chemische Reaktionen

Alle chemischen Reaktionen beginnen mit einem Edukt, dem allgemeinen Begriff für eine oder mehrere Substanzen, die an der Reaktion beteiligt sind. Natrium- und Chloridionen sind zum Beispiel die Edukte bei der Produktion von Kochsalz. Eine oder mehrere Substanzen, die durch eine chemische Reaktion entstehen, werden als Produkt bezeichnet. Chemische Reaktionen folgen dem Gesetz der Massenerhaltung, was bedeutet, dass in einer chemischen Reaktion keine Materie erzeugt oder zerstört werden kann. Die Bestandteile der Edukte - die Anzahl der Atome und die Elemente - sind alle in dem Produkt(en) vorhanden. Ebenso gibt es in den Produkten nichts, was nicht in den Edukten vorhanden ist.

Chemische Reaktionen erfordern ausreichend Energie, um die Materie mit genügend Präzision und Kraft kollidieren zu lassen, um alte chemische Bindungen aufzubrechen und neue zu bilden. Im Allgemeinen ist kinetische Energie die Energieform, die jegliche Art von bewegter Materie antreibt. Potenzielle Energie ist die Positionsenergie oder die Energie, die die Materie aufgrund der Positionierung oder Struktur ihrer Bestandteile besitzt. Alle Atome haben kinetische Energie, da sie ständig in Bewegung sind. Die Energie, die benötigt wird, um die chemischen Bindungen der Edukte zu brechen und eine Reaktion zu starten, wird Aktivierungsenergie genannt. Die Konzentration und Temperatur der Edukte können die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen.

Die Konvention zum Schreiben chemischer Gleichungen sieht vor, dass die Reaktantenformeln auf der linken Seite eines Reaktionspfeils und die Produktformeln auf der rechten Seite stehen. Gemäß dieser Konvention und den Definitionen von „Edukt„ und „Produkt„ repräsentiert eine chemische Gleichung die Reaktion von links nach rechts. Reversible Reaktionen können jedoch sowohl in Vorwärtsrichtung (links nach rechts) als auch in Rückwärtsrichtung (rechts nach links) ablaufen. Wenn die Geschwindigkeiten der Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen gleich sind, bleiben die Konzentrationen der Edukt- und Produktarten im Laufe der Zeit konstant und das System befindet sich im Gleichgewicht. Die relativen Konzentrationen von Edukten und Produkten in Gleichgewichtssystemen variieren stark. Einige Systeme enthalten hauptsächlich Produkte im Gleichgewicht, einige hauptsächlich Edukte und einige nennenswerte Mengen von beidem.

Zum Beispiel binden im menschlichen Blut überschüssige Wasserstoffionen (H⁺) an Bicarbonationen (HCO3^-), um einen Gleichgewichtszustand mit Kohlensäure (H₂CO₃) zu bilden. Wenn wir Kohlensäure zu diesem System hinzufügen würden, würde sich ein Teil davon in Bicarbonat und Wasserstoffionen umwandeln.

Biologische Reaktionen erreichen jedoch selten ein Gleichgewicht, da sich die Konzentrationen der Edukte oder Produkte oder beider ständig ändern, oft mit dem Produkt einer Reaktion als Edukt für eine andere. Um auf das Beispiel der überschüssigen Wasserstoffionen im Blut zurückzukommen, ist die Bildung von Kohlensäure die Hauptrichtung der Reaktion. Die Kohlensäure kann jedoch auch den Körper als Kohlendioxidgas (über das Ausatmen) verlassen, anstatt sich in Bicarbonation zurückzuverwandeln. Dies treibt die Reaktion nach rechts gemäß dem Massenwirkungsgesetz. Diese Reaktionen sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Homöostase in unserem Blut.

Dieser Text ist adaptiert von Openstax, Anatomy and Physiology 2e, Section 2.2 Chemical Bonds and Openstax, Anatomy and Physiology 2e, Section 2.1 Elements and Atoms: The Building Blocks of Matter.

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem Atome in einer oder mehreren Substanzen, die als Reaktanten bekannt sind, ihre Anordnung ändern, indem sie ihre chemischen Bindungen aufbrechen und neue Bindungen bilden, um die Produkte zu erzeugen.

Reaktionen, die zu einer Nettofreisetzung von Energie führen, sind exergonisch, während endergonische Reaktionen Nettoabsorber von Energie sind.

Die biochemischen Reaktionen, die im menschlichen Körper ablaufen, werden entweder als Synthese oder anabol kategorisiert, wie z. B. Proteinsynthese, Zersetzung oder katabol, wie der Abbau von Polysacchariden in Einfachzucker, oder Austauschreaktionen, wie die Übertragung von ATP-Phosphat auf Glukose, um Glukose-Phosphat zu bilden.

Bei vielen biochemischen Reaktionen werden Enzyme als Katalysatoren verwendet, um die Reaktion zu beschleunigen.

Alle biochemischen Reaktionen schreiten in Richtung Gleichgewicht fort – ein Zustand, in dem keine Nettoänderung der Konzentrationen von Reaktanten und Produkten auftritt, da die Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen.

Die biochemischen Reaktionen liefern Energie, um die Homöostase aufrechtzuerhalten und wesentliche Funktionen wie Wachstum und Reparatur auszuführen.