Chemische Reaktionen

Moleküle—wie diejenigen, aus denen dein Körper besteht—sind nur Ansammlungen von Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. In vielerlei Hinsicht sind sie sehr wie Tinkertoy®-Konstruktionssets. Tatsächlich wirst du dir, wenn du organische Chemie nimmst, höchstwahrscheinlich einen Modellsatz kaufen, der Tinkertoy® verdächtig ähnlich sieht:

So wie du die Tinkertoy®-Räder auf unterschiedliche Arten unter Verwendung verschiedener Steckverbindungen zusammenstecken kannst, kannst du auch Atome auf unterschiedliche Arten durch die Bildung unterschiedlicher Typen von chemischen Bindungen verbinden. Der Vorgang der Neuordnung von Atomen durch Aufbrechen von chemischen Bindungen und Bildung von neuen wird als chemische Reaktion bezeichnet.

Chemische Reaktionen treten auf, wenn chemische Bindungen zwischen Atomen gebildet oder aufgebrochen werden. Die Substanzen, die in eine chemische Reaktion eingehen, werden Reaktanten genannt, und die Substanzen, die am Ende der Reaktion enstehen, sind bekannt als die Produkte. Zwischen den Reaktanten und den Produkten wird ein Pfeil gezeichnet, um die Richtung der chemischen Reaktion anzugeben, wenngleich eine chemische Reaktionen nicht immer eine "Einbahnstraße" ist, wie wir im nächsten Abschnitt untersuchen werden.

Die Reaktion für den Abbau von Wasserstoffperoxid (${\text{H}}_2$‍${\text{O}}_2$‍) in Wasser und Sauerstoff kann zum Beispiel geschrieben werden als:

$2{\text{H}}_2$‍${\text{O}}_2\text{(Wasserstoffperoxid)}$‍ $\to$‍ $2{\text{H}}_2\text{O}\text{(Wasser)}$‍ + ${\text{O}}_2\text{(Sauerstoff)}$‍

In diesem Beispiel ist Wasserstoffperoxid unser Reaktant und es wird abgebaut in Wasser und Sauerstoff, unsere Produkte. Die Atome, die sich anfangs im Wasserstoffperoxid-Molekül befinden, werden umgestellt, um Wassermoleküle (${\text{H}}_2\text{O}$‍) und Sauerstoffmoleküle (${\text{O}}_2$‍) zu bilden.

Du hast vielleicht die zusätzlichen Zahlen in der chemischen Gleichung oben bemerkt: die $2$‍en vor dem Wasserstoffperoxid und dem Wasser. Diese Zahlen werden Koeffizienten oder auch Reaktionsstöchiometriezahlen genannt und sagen uns, wie viele von jedem Molekül an der Reaktion beteiligt sind. SIe müssen notiert werden, damit unsere Gleichung ausgeglichen ist, das heißt, dass die Anzahl an Atomens eines Elements auf beiden Seiten der Gleichung gleich ist.

Gleichungen müssen ausgeglichen sein, damit sie den Massenerhaltungssatz widerspiegeln, welcher sagt, dass die Masse aller Reaktanten gleich der Masse aller Produkte sein muss. Anders ausgedrückt: Im Verlauf einer normalen chemischen Reaktion darf kein Atom geschaffen oder zerstört werden. Du kannst mehr über das Ausgleichen von Reaktionen im Tutorial "Chemische Gleichungen ausgleichen" erfahren.

Einige chemische Reaktionen laufen einfach nur in eine Richtung ab, bis die Reaktanten aufgebraucht sind. Diese Reaktionen bezeichnet man als irreversibel. Andere Reaktionen jedoch werden als reversibel eingestuft. Reversible Reaktionen können in beide Richtungen, vorwärts und rückwärts, ablaufen.

In einer reversiblen Reaktion reagieren Reaktanten zu Produkten, aber die Produkte reagieren auch zurück in die Reaktanten. Tatsächlich finden sowohl die eigentliche Reaktion als auch die Umkehrreaktion gleichzeitig statt. Dieses Vor und Zurück läuft weiter, bis ein bestimmtes relatives Gleichgewicht zwischen Reaktanten und Produkten erreicht ist—ein Zustand, der Gleichgewicht genannt wird. Im Gleichgewicht laufen die "Hinreaktion" und "Rückreaktion" weiterhin ab, aber die relativen Konzentrationen der Produkte und Reaktanten ändert sich nicht mehr.

Jede Reaktion hat ihren eigenem charakteristischen Gleichgewichtszustand, welcher durch eine Zahl, die Gleichgewichtskonstante beschrieben werden kann. Im Kapitel Gleichgewicht erfährst du, woher die Gleichgewichtskonstante kommt und wie sie für bestimmte Reaktionen berechnet werden kann.

Wenn eine Reaktion als reversibel eingestuft wird, wird sie in der Regel mit einem Doppelpfeil (vorwärts und rückwärts) notiert, um zu zeigen, dass sie in beide Richtungen ablaufen kann. Im menschlichen Blut zum Beispiel binden überschüssige Wasserstoff-Ionen (${\text{H}}^{+}$‍) an Hydrogencarbonat-Ionen (${\text{HCO}}_3$‍${}^{-}$‍) unter Bildung von Kohlensäure (${\text{H}}_2$‍${\text{CO}}_3$‍):

${\text{HCO}}_3$‍${}^{-}$‍ + ${\text{H}}^{+}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}_2$‍${\text{CO}}_3$‍

Da es sich um eine reversible Reaktion handelt, wird, wenn Kohlensäure dem System zugeführt wird, ein Teil von ihr in Hydrogencarbonat- und Wasserstoff-Ionen umgewandelt, um das Gleichgewicht zu erhalten. Tatsächlich spielt dieses Puffersystem eine wichtige Rolle, um den pH-Wert im Blut stabil und gesund zu halten.