Grundlagen der chemischen Reaktionen und Stöchiometrie

Grundlagen der chemischen Reaktionen

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem Chemikalien in andere Stoffe umgewandelt werden, wobei Energie freigesetzt oder absorbiert wird. Diese Stoffe werden als Edukte (Anfangsstoffe) und Produkte (Endstoffe) bezeichnet.

Stöchiometrie und Ausgleichsmethoden

Die Stöchiometrie gibt bei einer Reaktion vor der Formel des Stoffes die Zahl oder den Anteil der Moleküle (mikroskopische Skala) oder Mol (makroskopische Ebene) an, die beteiligt sind. Dies stellt sicher, dass beim Austausch von Atomen keine Atome fehlen oder zu viel sind.

• Mathematische Methode: Diese Methode zum Ausgleichen chemischer Gleichungen besteht darin, ein System von Gleichungen zu lösen, das sich aus der Gleichheit der Atome auf beiden Seiten der Gleichung ergibt.
• Versuch und Irrtum: Eine Methode zum Ausgleichen chemischer Gleichungen. Man beginnt damit, Koeffizienten für die Elemente auszuprobieren, die in weniger Stoffen vorkommen, und passt dann die Koeffizienten für die Elemente in den komplexeren Verbindungen an.

Arten von chemischen Reaktionen

• Zersetzung oder Analyse: AB → A + B
• Synthese: A + B → AB
• Verdrängung und Substitution: AB + C → AC + B
• Doppel-Substitution: AB + CD → AC + BD
• Rückreaktion: Produkte → Edukte
• Gekoppelte Reaktionen: A + B → C + D / D + E → F + G

Säuren und Basen

Säure: Eine Substanz, die H⁺-Ionen abgibt (dissoziiert): HA → H⁺ + A^-.

Base: Ein Stoff, der OH^--Ionen abgibt: BOH → B⁺ + OH^-.

Stärke und Schwäche von Säuren und Basen: Starke Säuren und Basen dissoziieren vollständig, während schwache Säuren und Basen nur teilweise dissoziieren.

Spezielle Reaktionstypen

• Neutralisationsreaktion: Reaktion zwischen einer Säure und einer Base, die ein Salz und Wasser ergibt: HA + BOH → BA + H₂O.
• Verbrennung: Bei der Verbrennung organischer Stoffe entstehen immer Kohlendioxid und Wasser: C_xH_y + O₂ → x CO₂ + H₂O.
• Exotherme Reaktion: Eine chemische Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird.
• Endotherme Reaktion: Eine chemische Reaktion, die Energie absorbiert.

Thermochemie und Berechnungen

Thermochemische Gleichungen

Eine thermochemische Gleichung enthält die chemische Gleichung sowie die Angabe der absorbierten oder freigesetzten Energie, den physikalischen Zustand der Edukte und Produkte sowie die Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen die Reaktion durchgeführt wird. Standardbedingungen: p = 1 atm, T = 25 °C.

• Variation der inneren Energie (ΔU): Reaktionswärme bei konstantem Volumen gemessen (q_V).
• Variation der Enthalpie (ΔH): Reaktionswärme bei konstantem Druck gemessen (q_p).

Die Enthalpie chemischer Elemente unter Standardbedingungen in ihrer stabilsten Form wird als Null definiert. Die Reaktionsenthalpie kann in Abhängigkeit von den Bildungsenthalpien der Edukte und Produkte oder über Bindungsenthalpien berechnet werden:

ΔH_Reaktion = Σ ΔH_Produkte - Σ ΔH_Edukte

ΔH_Reaktion = Σ ΔH_{gebrochene Bindungen} - Σ ΔH_{gebildete Bindungen}

Stöchiometrische Berechnungen

Stöchiometrische Berechnungen werden immer in Mol unter Verwendung von Umrechnungsfaktoren durchgeführt.

• Limitierendes Reagenz: Das Reagenz, das im Vergleich zum stöchiometrischen Verhältnis im Unterschuss vorliegt; es wird in der Reaktion vollständig verbraucht.
• Überschüssige Edukte: Alle Reagenzien, die über das stöchiometrische Verhältnis hinaus vorhanden sind.
• Leistung (Ausbeute): Verhältnis zwischen der tatsächlichen Menge und der theoretisch zu erwartenden Menge der Produkte.