Chemische Reaktionen

Überblick

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem die Bindungen in den Atomen von Verbindungen oder Molekülen neu angeordnet werden. So entstehen neue Substanzen bzw. Verbindungen. Materie kann in einer chemischen Reaktion weder erzeugt noch zerstört werden. Die gleiche Art und Anzahl von Atomen, aus denen die Reaktionspartner bzw. Edukte bestehen, sind in den Produkten weiterhin vorhanden. Lediglich die Umordnung chemischer Bindungen erzeugt neue Stoffe.

Chemische Reaktionen ordnen Atome in neue Stoffe um

In einer chemische Reaktion werden Ausgangsstoffe (Edukte) in neue Stoffe umgewandelt. Die entstandenen Stoffe oder Verbindungen nennt man Produkte. Die Elemente sind auf beiden Seiten der Gleichung gleich, sie sind aber nach der Reaktion in den gebildeten Verbindungen neu angeordnet. Bei chemischen Reaktionen werden die Bindungen zwischen den Atomen aufgebrochen und neu gebildet. Das bedeutet, dass die gemeinsamen Elektronen zwischen den Atomen neu angeordnet werden. Die Reaktionen können spontan stattfinden oder finden nur in Gegenwart einer Energiequelle, wie z.B. Wärme oder Licht, statt. Zusätzlich können Makromoleküle als Enzyme bzw. Katalysatoren wirken, die chemische Reaktionen stark beschleunigen. Die meisten biologischen Reaktionen würden ohne Enzyme viel zu lange dauern.

Chemische Reaktionen können permanent oder reversibel sein

Einige Reaktionen sind irreversibel und verlaufen bis alle Edukte verbraucht sind. Andere Reaktionen sind hingegen reversibel, wobei die Produkte bei veränderten Bedingungen wieder in die Edukte umgewandelt werden können. Bestimmte Arten von chemischen Reaktionen, wie z.B. Verbrennungsreaktionen oder Fällungsreaktionen, wobei zum Beispiel zwei gelöste Stoffe ein festes Produkt bilden, verlaufen typischerweise nur in eine Richtung. Ein Beispiel für eine irreversible Reaktion ist die Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Gegenwart von atmosphärischem Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entstehen Wärme- und Lichtenergie, sowie Kohlendioxid und Wasser. Andere Reaktionen laufen in beide Richtungen ab, bis die Edukte und Produkte im Gleichgewicht sind, dass ist der Punkt, an dem es keine Netto-Veränderung der Edukte oder Produkte mehr gibt.

Das Gesetz zur Erhaltung der Masse und ausgeglichenen chemischen Gleichungen

Bei einer chemischen Reaktion kann keine Masse entstehen oder zerstört werden. Dieses Prinzip ist als das Gesetz zur Erhaltung der Masse bekannt. Entstandene Produkte enthalten jedoch oft andere Atomverhältnisse als Edukte. Eine ausgewogene chemische Gleichung berücksichtigt alle Atome auf beiden Seiten der Gleichung. Koeffizienten werden zu den Produkten und Edukten hinzugefügt, bis die Gesamtzahl jeder Atomart auf beiden Seiten der Gleichung gleich ist. Ein Koeffizient gilt für alle Atome in einer Verbindung, so wie ein mathematischer Koeffizient für alle Variablen in einer parenthetischen Aussage gilt. Zum Beispiel die Reaktion, die Wasser aus Wasserstoff- und Sauerstoffgasen erzeugt, sieht folgendermaßen aus:

H₂ + O₂ → H₂O

In dieser unausgeglichenen Gleichung befinden sich auf jeder Seite zwei Wasserstoffatome, die Zahl der Sauerstoffatome ist jedoch ungleich. Um die Gleichung auszugleichen, werden Koeffizienten addiert, so dass auf beiden Seiten gleich viele Wasserstoff -und Sauerstoffatome vorhanden sind:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

In der ausgeglichenen Gleichung befinden sich insgesamt vier Wasserstoff -und zwei Sauerstoffatome auf jeder Seite der Gleichung.

Chemische Reaktionen betreiben Zellen

Zwei wichtige Prozesse, die das Leben auf der Erde ermöglichen, sind die Fotosynthese, bei der Sonnenlicht in den Sechs-Kohlenstoff-Zucker Glucose umwandelt, und die Zellatmung. Bei dieser wird die Glucose in nutzbare Energie umgewandelt. Diese beiden essenziellen Reaktionen sind in ihrem Kern ein Paar sich ergänzender chemischer Reaktionen. Fotosynthetische Organismen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxid und Wasser in Zucker und molekularen Sauerstoff umzuwandeln. Die Zellatmung wird dann von allen aeroben Organismen genutzt, um diesen Zucker aufzuspalten. Dabei ist es irrelevant, ob sie ihn hergestellt oder verbraucht haben. In der Gegenwart von Sauerstoff wird hier Energie für alle grundlegenden Bedürfnisse gewonnen.