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2.8: Chemische Reaktionen
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Chemical Reactions
 
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2.8: Chemical Reactions

2.8: Chemische Reaktionen

Overview

A chemical reaction is a process by which the bonds in the atoms of substances are rearranged to generate new substances. Matter cannot be created or destroyed in a chemical reaction—the same type and number of atoms that make up the reactants are still present in the products. Merely the rearrangement of chemical bonds produces new compounds.

Chemical Reactions Rearrange Atoms into New Substances

A chemical reaction takes starting materials—the reactants—and changes them into different substances—the products. The identities of the elements are the same on both sides of the equation, but they are arranged in different substances after the reaction takes place. In chemical reactions, the bonds between the atoms are broken and reformed which means that the shared electrons among the atoms are rearranged. Reactions can be spontaneous, or they might only occur in the presence of an energy source—such as heat or light. Additionally, macromolecules can act as enzymes—catalysts that greatly speed up chemical reactions. Most biological reactions would take far too long to complete without enzymes.

Chemical Reactions Can be Permanent or Reversible

Some types of reactions will proceed irreversibly until all of the reactants are used up, while others are reversible, with the products able to be converted back into the reactants if conditions change. Certain types of chemical reactions, such as combustion reactions or precipitation reactions that form a solid product from two dissolved substances, typically only proceed in one direction. An example of an irreversible reaction is the combustion of hydrocarbon fuel in the presence of atmospheric oxygen, which produces heat and light energy, carbon dioxide gas, and water. Other reactions occur in either direction until the reactants and products are at equilibrium—the point at which there is no net change in reactants or products.

The Law of Conservation of Matter and Balanced Chemical Equations

In a chemical reaction, matter cannot be created or destroyed, a principle known as the Law of Conservation of Matter. However, the products that are formed often contain different ratios of atoms than the reactants. A balanced chemical equation accounts for all of the atoms on both sides of the equation by adding coefficients to the products and reactants until the total number of each type of atom is equal on both sides of the equation. A coefficient applies to all the atoms in a compound, much like a mathematical coefficient applies to all of the variables contained in a parenthetical statement. For example, the reaction that generates water from hydrogen and oxygen gases is:

H2 + O2 → H2O

In this unbalanced equation, there are two hydrogen atoms on each side, but there are unequal numbers of oxygen atoms. To balance the equation, coefficients are added so that there are equal numbers of hydrogen and oxygen atoms on both sides:

2H2 + O2 → 2H2O

In the balanced equation, there are a total of four hydrogen atoms and two oxygen atoms on each side of the equation.

Chemical Reactions Power Cells

Two important processes that power much of all life on Earth are photosynthesis, which converts sunlight into the six-carbon sugar glucose, and cellular respiration, which converts glucose into usable energy. Both these essential reactions are, at their core, a pair of complementary chemical reactions. Photosynthetic organisms use the energy from sunlight to convert carbon dioxide and water into sugar and molecular oxygen. Cellular respiration is then used by all aerobic organisms to break down that sugar—whether they made it or consumed it—in the presence of oxygen to produce energy for all of their basic needs.

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

Eine chemische Reaktion nimmt Ausgangsstoffe Mischungen (Edukte) und wandelt sie in neue Stoffe um. Die entstandenen Stoffe oder Verbindungen nennt man Produkte. Die Eigenschaften der Elemente sind auf beiden Seiten der Gleichung gleich, werden aber nach der Reaktion in verschiedenen neuen Stoffen 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 nur in Gegenwart einer Energiequelle, wie z.B. Wärme oder Licht, stattfinden. 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 verlaufen irreversibel, 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, die aus zwei gelösten Stoffen ein festes Produkt bilden, verlaufen typischerweise nur in einer 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. Der Punkt, an dem es keine Netto-Veränderung der Edukte oder Produkte mehr gibt.

Das Gesetz zur Erhaltung von Materie und der chemischen Gleichungen im Gleichgewicht

Bei einer chemischen Reaktion kann keine Materie entstehen oder zerstört werden. Dieses Prinzip ist als das Gesetz der Erhaltung von Materie 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 sieht die Reaktion, die aus Wasserstoff und Sauerstoffgasen Wasser erzeugt, wie folgt aus:

H2 + O2 → H2O

< p>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 von Leistungszellen

Zwei wichtige Prozesse, die das Leben auf der Erde antreiben, 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.

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