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Chemische Reaktionen unter 3 Aspekten

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Eine der bekanntesten Reaktionen im Chemieunterricht der 7. Klassen ist die Umsetzung von Eisenpulver mit Schwefelpulver. Man mischt genau abgewogene Mengen beider Element im Mörser zusammen, gibt einen Teil des Gemischs ins schwer schmelzbare Reagenzglas und hält das Reagenzglas dann über die heiße Flamme des Brenners. Erstmal tut sich nicht viel, doch dann glüht das Gemisch auf und unter heftigem Gezische und Gestinke reagieren die beiden Elemente zu einem neuen Stoff: Eisensulfid>.

Bereits mit dieser einfachen Reaktion lassen sich die drei Aspekte einer jeden chemischen Reaktion aufzeigen: Chemische Reaktionen sind stets Stoffumsetzungen, Energieumsetzungen und Teilchenumsetzungen.

1. Stoffumsetzungen

Betrachten wir die Reaktion zwischen Eisen und Schwefel einmal genauer und vergleichen wir zwei wichtige Eigenschaften der Ausgangsstoffe Eisen und Schwefel sowie des Reaktionsproduktes Eisensulfid, nämlich die Farbe und das Reaktionsverhalten mit Salzsäure:

Ausgangsstoffe
Reaktionsprodukt

Bei anderen Reaktionen stellen wir ähnliche Stoffumsetzungen fest. Immer entstehen bei chemischen Reaktionen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften. Oft sieht man den Reaktionsprodukten die neuen Eigenschaften direkt an, manchmal muss man allerdings auch erst recht aufwändige Messungen durchführen, um die neuen Eigenschaften nachzuweisen. Wenn beispielsweise Alkohol und Essig (beides farblose Flüssigkeiten) miteinander reagieren, entsteht wieder eine farblose Flüssigkeit. Allerdings hat das Reaktionsprodukt einen anderen Geruch und ist weniger wasserlöslich als Alkohol und Essig.

Bei chemischen Reaktionen entstehen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften!

Interessant ist, dass das Stoffgemisch aus Eisen und Schwefel noch die Eigenschaften der beiden Elemente hat. Die Farbe ist eine Mischung aus grau und gelb, und auch die anderen Eigenschaften sind Mischeigenschaften.
Erst durch das Erhitzen wird die chemische Reaktion eingeleitet, bei der aus dem Stoffgemisch eine neue chemische Verbindung entsteht.

2. Energieumsetzungen

Bei chemischen Reaktionen wird Energie aus der Umgebung aufgenommen oder an die Umgebung abgegeben. Bei der Erhitzung des Eisen-Schwefel-Gemischs wird zunächst sehr viel Wärmeenergie aus der Umgebung aufgenommen. Wenn aber die eigentliche Reaktion startet, wird wieder viel Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben, und zwar mehr, als zuvor aufgenommen wurden. Es handelt sich daher um eine exotherme Reaktion. Auch das Verbrennen von Magnesiumband ist ein eindrucksvolles Beispiel für eine exotherme Reaktion: Nachdem das Magnesium für ein paar Sekunden in die Brennerflamme gehalten wurde, bildet sich eine grell-weiße Flamme, die sich tief in die Netzhaut des Betrachters eingräbt, wenn er den Blick nicht abwendet.

Endotherme Reaktionen sind dagegen meistens nicht so spektakulär. Oder haben Sie schon mal "Boa ey, was für eine heftige Reaktion!" gerufen, wenn Ihr Brötchen im Backofen schwarz geworden ist oder wenn ein Blechteil Ihres Fahrrades verrostet ist?

Die Energieumsetzung einer Reaktion kann graphisch in Form eines Energiediagramms dargestellt werden.

Das Energiediagramm kann man sich ganz leicht klarmachen: Das Gemisch aus Eisen und Schwefel hat eine bestimmte "innere Energie", deren Betrag wir aber nicht messen können - nicht weil wir zu blöd dazu sind, sondern weil das prinzipiell nicht geht.

Was wir aber messen können, ist die Energie, die wir dem Gemisch zuführen müssen, damit die Reaktion endlich einsetzt. Diesen Energiebetrag bezeichnet man als Aktivierungsenergie. Wenn dann die Reaktion eingesetzt hat, wird ein gewisser Energiebetrag wieder frei. Auch diese Energie kann man messen.

Bei einer exothermen Reaktion wird nun mehr Energie freigesetzt, als vorher hineingesteckt wurde. Die Endprodukte haben also eine geringere "innere Energie" als die Ausgangsstoffe. Den Unterschied zwischen der inneren Energie der Produkte und der inneren Energie der Edukte bezeichnet man als Reaktionsenergie.

Reaktionsenergie = innere Energie der Produkte - innere Energie der Edukte.

Rechnen wir einmal nach. Angenommen, die innere Energie der Produkte betrage 100 Einheiten (an sich wird Energie in kJ gemessen, da wir aber die Energie der Edukte grundsätzlich nicht messen können, wollen wir hier nur von irgendwelchen "Einheiten" sprechen). Damit die Reaktion einsetzt, müssen wir 120 Einheiten mit Hilfe des Bunsenbrenners zuführen. Die innere Energie der aktivierten Edukte beträgt jetzt 100 + 120 = 220 Einheiten.

So, jetzt läuft die Reaktion ab, und dabei wird ziemlich viel Energie freigesetzt, nämlich 170 Einheiten. Nach dem Ablauf der Reaktion beträgt dann die innere Energie der Produkte genau 220 - 170 = 50 Einheiten.

Wenn man jetzt mal die Differenz zwischen Energie der Produkte und Energie der Edukte bildet, kommt man auf einen Wert von 50 - 100 = -50 Einheiten. Die Reaktionsenergie hat also ein negatives Vorzeichen, was uns zum nächsten Merksatz bringt:

Bei einer exothermen Reaktion ist die Reaktionsenergie immer negativ.

Übrigens sind Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie völlig unabhängig voneinander, sie haben nichts miteinander zu tun. Es gibt Reaktionen mit einer sehr hohen Aktivierungsenergie aber sehr geringer Reaktionsenergie. Umgekehrt gibt es Reaktionen mit recht niedriger Aktivierungsenergie, aber sehr großer Reaktionsenergie.

3. Teilchenumsetzungen

Jetzt wird es Zeit für den dritten Gesichtspunkt, der bei jeder Reaktion wichtig ist. Chemische Reaktionen sind Teilchenumsetzungen. Diese Erkenntnis ist erst ungefähr 200 Jahre alt. Zwar vermuteten schon die alten Griechen vor über 2000 Jahren, dass alle Stoffe aus unteilbaren Atomen zusammengesetzt sind, doch so richtig auf chemische Reaktionen bezogen haben die Griechen ihre Erkenntnisse dann doch nicht - das war ihnen zu praktisch und zu profan. Erst DALTON stellte um 1804 sein berühmtes Atommodell auf. Eine wichtige Aussage dieses Modells ist die:

Bei chemischen Reaktionen können Atome weder gebildet noch vernichtet werden. Sie lagern sich lediglich um.

Die Produkte der Reaktion enthalten daher genau die gleichen Atome wie die Edukte (Ausgangsstoffe), allerdings in anderer Anordnung.

Heute kann man natürlich Atome zerstören oder neu erschaffen. Radioaktive Atome zerfallen nämlich in kleinere Atome; umgekehrt kann man mit Hilfe riesiger Beschleuniger kleine Atome aufeinanderprallen lassen, um größere zu erzeugen. Dabei handelt es sich aber nicht um chemische Vorgänge, sondern um physikalische.

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