Reaktionsgleichungen

Eine Reaktionsgleichung ist die Formelschreibweise von Ausgangsstoffen (Edukten) und Produkten einer Stoffumwandlung. Die essenzielle Bedeutung der Reaktionsgleichung kommt unter anderem auch daher, dass sie international einheitlich ist. Teilweise bezeichnet man sie auch als Reaktionsschema.

In diesem Beispiel werden zwei Einheiten Natrium (Na) mit Chlor (Cl₂) in seiner natürlich vorkommenden Form zu Natriumchlorid (NaCl) verbunden. Natriumchlorid kennst Du als simples Kochsalz.

Reaktionsgleichung – Aufbau

Reaktionsgleichungen besitzen alle einen einheitlichen Aufbau. Konkret bedeutet das, dass auf der linken Seite die Edukte, also die Ausgangsstoffe stehen. Auf der rechten Seite stehen dann die Produkte, die Endstoffe. Verbunden werden beide Gruppen mit einem Reaktionspfeil. Dabei unterscheidet man vier Arten von Reaktionspfeilen, die du im nächsten Abschnitt noch kennenlernst.

Oftmals wird die Reaktionsgleichung mit der Summenformel der verwendeten Stoffe angegeben. Es kann aber auch vorkommen, dass die Strukturformel verwendet wird. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn man Reaktionsmechanismen, wie im Fachgebiet Organische Chemie, deutlich machen möchte.

Abbildung 1: Zwei typische Reaktionsmechanismen der organischen Chemie

Jedes Edukt oder Produkt erhält einen Koeffizienten. Wenn dieser 1 ist, wird er häufig weggelassen. Dieser stöchiometrische Koeffizient gibt an, wie viele Moleküle bzw. Mol von dieser Substanz verwendet werden müssen, damit eine Reaktion stattfinden kann. Für Reaktionen wird oftmals das kleinste gemeinsame Vielfache verwendet. Beachte auch, dass auf beiden Seiten der Reaktion die gleiche Anzahl an Atomen einer Art stehen muss.

Reaktionsgleichung – Pfeile

Wie Du bereits gelesen hast, kannst Du vier Arten von Pfeilen für eine chemische Reaktionsgleichung verwenden. Jede dieser Pfeilarten drückt dabei unterschiedliche Eigenschaften der Reaktion aus.

Normaler Reaktionspfeil

Die wichtigste Rolle spielt dabei der "normale" Reaktionspfeil. Diesen hast Du bestimmt schon öfter gesehen.

Dieser Reaktionspfeil bedeutet, dass die Reaktion nur in eine Richtung verläuft, das heißt, sie ist nicht umkehrbar. Häufig wird dieser Pfeil aber auch fälschlicherweise für umkehrbare Reaktionen verwendet. Im obigen Beispiel reagiert übrigens Magnesium (Mg) mit Sauerstoff (O) zu Magnesiumoxid (MgO),

Gleichgewichtspfeil

Für umkehrbare Reaktionen verwendest Du einen Gleichgewichtspfeil. Wie Du siehst, handelt es sich hierbei eigentlich um zwei übereinander stehende Pfeile, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen.

Dieser Pfeil macht deutlich, dass die Reaktion in beide Richtungen abläuft. Es besteht ein chemisches Gleichgewicht. In einigen Fällen wird mithilfe der Länge der Pfeile angegeben, auf welcher Seite der Reaktion das Gleichgewicht liegt. Manchmal bedarf eine bestimmte Richtung auch einer bestimmten Umgebung. Die Katalysatoren oder Bedingungen werden dann über oder unter den Pfeil geschrieben.

Mesomeriepfeil

Der dritte Pfeil nennt sich Mesomeriepfeil. Er tritt immer dann auf, wenn das Reaktionsprodukt nicht mit einer Summenformel beschrieben werden kann. Die einzelnen Strukturen nennt man dann auch mesomere Grenzstrukturen.

Abbildung 2: Der Mesomeriepfeil Quelle: abiweb.de

Beide Ergebnisse sind möglich, unterscheiden sich allerdings in der Lage der Elektronen. Durch deren Bewegung kommt es dazu, dass sich die einzelnen Formen dauerhaft ineinander umwandeln. Manche Produkte hingegen besitzen eine bestimmte Spezifität gegenüber eines Produkts.

Retrosynthesepfeil

Die letzte Pfeilart, die in der Chemie verwendet wird, ist der Retrosynthesepfeil. Diesen wirst Du am seltensten finden. Bei der Retrosynthese selbst handelt es sich um eine Strategie, die Produkte so lange zerlegt, bis daraus Edukte entstehen, die leicht zu verwenden sind. Man geht die Schritte einer Reaktion folglich rückwärts. Gekennzeichnet wird dieser Prozess mit dem Retrosynthesepfeil.

Abbildung 3: Die Retrosynthese Quelle: chemie-schule.de

Reaktionsgleichungen aufstellen

Der wichtigste Schritt, um Reaktionsgleichungen zu verstehen, ist nun das Aufstellen der Reaktionsgleichung. Die folgenden Schritte unterscheiden sich teilweise abhängig von der Reaktionsart. So musst Du bei einer Redox-Reaktion deutlich mehr beachten, als bei einer "normalen" Reaktion.

Die wichtigsten Schritte siehst Du hier zusammengefasst.

1. Aufstellen der Wortgleichung

Abhängig davon, wie Deine Aufgabenstellung lautet, ist es immer sinnvoll, sich zuerst zu überlegen, wie die Wortgleichung lautet. Somit lernst Du Deine Edukte und Produkte kennen. Beispiele dafür sind:

Oftmals ist die Wortgleichung gegeben und es ist Deine Aufgabe, daraus eine Formelgleichung zu erstellen. Dafür hilft Dir in jedem Fall das Periodensystem sowie Deine Formelsammlung.

2. Umwandlung in eine Formelgleichung

Wenn Du die Wortgleichung gegeben hast, ist die Formelgleichung simpel. Fast alle Moleküle, die Du benötigst, stehen in der Formelsammlung mitsamt ihrer Summenformel. Diese kannst Du Dir dann im Anschluss notieren. Für unsere drei Beispiele sieht das dann so aus:

Sobald Du diese Form vor Dir stehen hast, ist der Großteil bereits erledigt. Im Anschluss musst Du nur noch ausgleichen. Grundlage dafür ist das Gesetz der Masse.

3. Bestimmen der Produkte

In manchen Fällen ist Dir nur vorgegeben, dass zwei Edukte miteinander reagieren. In diesem Fall musst Du Dir selbst überlegen, welche Produkte entstehen. Hier lernst Du ein paar Tipps und Tricks, wie Du leichter auf die möglichen Produkte kommst:

• Wenn eines der beiden Edukte ein Oxid ist und das andere nicht, dann wandert der Sauerstoff. Das Reinelement wird zum Oxid, während das Oxid zum Reinelement wird.

• Es reagieren immer positiv geladene Atome mit negativ geladenen Atomen. Natrium und Calcium sind in ihrer Ionenform positiv geladen. Sie werden nicht miteinander reagieren. Überleg Dir immer, welche Ionen entstehen würden und füge dann positive und negative Ionen neu zusammen. Damit erhältst Du in den meisten Situationen die richtigen Ergebnisse.

• Suche nach einfachen Lösungen. Wenn komplizierte Moleküle zerfallen, entstehen selten kleinere, komplexe Moleküle. Häufig werden sie stattdessen in Moleküle gespalten, die Du kennst. Das sind zum Beispiel Kohlenstoffdioxid und Wasser sowie die verschiedenen Salze.

• Versuche, die vorhandenen Elemente mithilfe einer Lewis-Formel zusammenzubringen. Können alle Elektronen so verteilt werden, dass die einzelnen Atome scheinbar einen Edelgaszustand annehmen?

4. Ausgleichen

Der letzte Schritt ist häufig der komplizierteste. Entsprechend dem Gesetz der Masse verschwinden Atome nicht einfach so. Wenn Du also ein bestimmtes Atom auf der Seite der Edukte hast, musst die gleiche Anzahl auch auf der Seite der Produkte stehen. Das Angleichen erfolgt mithilfe der stöchiometrischen Koeffizienten. Beachte hier den Index, den die jeweiligen Atome haben.

Schau Dir die erste Gleichung noch einmal genauer an: . Ursprünglich standen auf der Seite der Edukte nur ein Aluminium- und zwei Chlor-Atome. Auf der rechten Seite hingegen befanden sich ein Aluminium- und drei Chlor-Atome. Du beginnst nun damit, die Chlor-Atome auszugleichen. Da 3 und 2 keine Vielfachen voneinander sind, benötigst Du das kleinste gemeinsame Vielfache: 6.

Mithilfe der Koeffizienten hast Du jetzt auf beiden Seiten sechs Chlor-Atome, allerdings nun ein Aluminiumatom links und zwei rechts. Das lässt sich leicht ausgleichen, indem man die Menge der Edukte verdoppelt. Dann ist auf beiden Seiten die gleiche Anzahl an Atomen vorhanden. Deine Reaktionsgleichung ist perfekt ausgeglichen und gibt in richtigem Maß eine chemische Reaktion wieder.