Stöchiometrie - Zum Verlauf chemischer Reaktionen

Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit in einem bestimmten Zeitintervall ist der Quotient aus der Änderung der Konzentration bzw. der Menge eines Stoffs und der Dauer des Intervalls: v = Δc/Δt oder v = Δn/Δt.

Beschreibt einen chemischen Vorgang qualitativ (Formeln) und quantitativ (Koeffizienten). Links vom Reaktionspfeil stehen, durch + verbunden, die Formeln bzw. Symbole der Edukte, rechts die der Produkte. Oft wird der Aggregatzustand der Stoffe (s, l, g) angegeben. Die Koeffizienten vor den Formeln geben das Mengenverhältnis der Stoffe. Sie müssen so gewählt werden, dass die Anzahl der Atome jeder Atomsorte links und rechts gleich ist.

Der Reaktionspfeil steht für die Umwandlung der Stoffe und wird gelesen als «reagieren zu» über dem Pfeil können Reaktionsbedingungen (Licht, Kat., Temp., Druck} angegeben werden.

In der anorganischen Chemie werden vier Reaktionstypen unterschieden:

• Redox-Reaktionen,
• Säure-Base-Reaktionen,
• Fällungs- und
• Komplexreaktionen.

Bei Redoxvorgängen werden Elektronen übertragen oder verschoben.

Teilvorgang einer Redoxreaktion, bei dem Elektronen aufgenommen oder verschoben werden.

Die Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel ist eine Faustregel, mit der sich der Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit abschätzen lässt: Eine Temperaturerhöhung um 10 °C beschleunigt eine Reaktion auf das Zwei- bis Vierfache. Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit ist mit dem Anstieg der Energie der Teilchen und der daraus resultierenden Zunahme der Zahl erfolgreicher Zusammenstösse zu erklären.

Bei Säure-Base-Reaktionen wird ein Proton (H⁺) von der Säure auf die Base übertragen (Protolyse oder Protonenübertragungsreaktion).

Reaktionen verlaufen (nach Aktivierung) freiwillig (spontan), wenn die Energie ab- und/oder die Entropie zunimmt. Endotherme Reaktionen sind nur spontan, wenn die Entropie deutlich zunimmt. Vorgänge, bei denen die Entropie abnimmt, sind nur spontan, wenn die Energie deutlich abnimmt.

Die Stöchiometrie befasst sich mit den quantitativen Aspekten der Chemie.

Ist die Stoffmenge eines Reaktionsteilnehmers gegeben, lassen sich mithilfe der Koeffizienten der Reaktionsgleichung die Stoffmengen der anderen berechnen. Zur Berechnung der Masse ist die Stoffmenge mit der molaren Masse zu multiplizieren (Masse = Stoffmenge · molare Masse). Zur Berechnung der Volumina von Gasen ist die Stoffmenge mit dem molaren Volumen zu multiplizieren (Volumen = Stoffmenge · molares Volumen).

Die Stoffmenge ist eine Grösse zur Beschreibung der Quantität einer Stoffportion. ihre Einheit ist das Mol, das Einheitenzeichen mol. Eine Stoffportion hat die Stoffmenge 1 mol, wenn sie gleich viele Teilchen enthält wie 12 g Kohlenstoff C-12, das sind 6.02 · 10²³ Teilchen. Eine Stoffportion mit der Stoffmenge 1 mol enthält 6.02 · 10²³ Teilchen. Der Zahlenwert ihrer Masse in g ist gleich der Teilchenmasse in u.

Bereich, der von der Umgebung abgegrenzt ist. Geschlossene Systeme können mit der Umgebung keine Stoffe, aber Energie austauschen, bei isolierten Systemen ist auch kein Energieaustausch möglich. Offene Systeme können sowohl Energie als auch Stoffe austauschen.

Bei einer chemischen Reaktion von Gasen ist das Verhältnis der Volumina gleich dem Verhältnis der Teilchenzahlen und der Stoffmengen. Es wird durch die Koeffizienten der Gleichung gegeben.

In der Reaktionsgleichung von Gleichgewichtsreaktionen schreibt man einen Doppelpfeil \(\rightleftharpoons\) für die Hinreaktion (nach rechts) und die Rückreaktion (nach links).

Endotherm ist ein Vorgang, bei dem Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird, die Energie des Systems nimmt zu, der Wert der Reaktionsenthalpie (ΔH) ist positiv, die Produkte sind energiereicher als die Edukte.

Jede Stoffportion hat eine bestimmte innere Energie. Sie ist abhängig von der Bewegungsenergie der Teilchen und von den Bindungen in und zwischen den Teilchen. Je grösser die Bindungsenergien der Teilchen, umso energieärmer ist der Stoff.

Die bei einer Reaktion umgesetzte Energie kann in Form von Wärme, Licht, mechanischer oder elektrischer Arbeit auftreten. Die Wärme, die bei konstantem Druck umgesetzt wird, heisst Reaktionsenthalpie.

Wärmeinhalt eines Systems oder einer Stoffportion Reaktionsenthalpie.

Zeigt die Veränderung der Enthalpie eines Systems während einer chemischen Reaktion.

Die Entropie eines Systems nimmt mit der Unordnung zu. Bei spontanen Vorgängen nimmt die Entropie zu und/oder die Energie ab.

Die chemischen Vorgänge in den Lebewesen werden durch die Enzyme ermöglicht und geregelt. Jedes Enzym katalysiert in der Regel nur eine bestimmte Reaktion.

Exotherm ist ein Vorgang, bei dem die innere Energie der Stoffe abnimmt. Das System kann mechanische oder elektrische Arbeit leisten bzw. Energie in Form von Wärme oder Licht an die Umgebung verlieren. Der Wert der Reaktionsenthalpie (ΔH) ist negativ.

Beim Mischen von Lösungen, die Ionen enthalten, können Ionenkombinationen entstehen, die schlechter löslich sind als die ursprünglichen. Sind die Konzentrationen hoch genug, bildet sich eine Fällung: Das schlechter lösliche Salz kristallisiert aus.

Die Summe der Massen aller Atome einer Formel in u: z. B. für CaCl₂: m_F(CaCl₂) = m_A(Ca) + 2 m_A(CI) = 110.98 u.

Faktoren, welche die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen können sind:

• Eigenschaften und Konzentration der Edukte
• Temperatur
• Katalysatoren
• In heterogenen Systemen: Kontaktfläche der Reaktionsteilnehmer.

Der Wert der Gleichgewichtskonstanten K beschreibt die Lage des Gleichgewichts einer Reaktion bei einer bestimmten Temperatur. Er wird nach dem MWG aus den experimentell ermittelten Gleichgewichtskonzentrationen der Stoffe berechnet:

\(\text{Gleichgewichtskonstante} = {\text{Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Endstoffe} \over \text{Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Ausgangsstoffe}}\)

Der Wert der Gleichgewichtskonstanten ist umso höher, je grösser der Anteil der Produkte ist. Er ist temperaturabhängig. Ist die Hinreaktion exotherm, bewirkt eine Temperaturerhöhung eine Verkleinerung der Konstanten.

Die Konzentration der Edukte ist im Gleichgewichtszustand i. A. nicht gleich gross wie die der Produkte. Überwiegen die Produkte, spricht man von einer Gleichgewichtslage rechts. Die Gleichgewichtskonstante ist gross.

Wird ein System im Gleichgewichtszustand durch Ändern der Zusammensetzung oder der Bedingungen gestört, muss sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellen. Wird durch den Eingriff die Hinreaktion schneller als die Rückreaktion, spricht man von einer Gleichgewichtsverschiebung nach rechts. Der Wert der Gleichgewichtskonstanten ändert sich nur bei Temperaturänderungen.

Temperatur: Erhöhung begünstigt die endotherme Reaktion. Das Gleichgewicht wird zu den energiereicheren Stoffen verschoben. K ändert sich.

Druck: Der Druck beeinflusst die Gleichgewichtslage von Reaktionen, bei denen die Summe der Stoffmengen aller gasförmigen Reaktionsteilnehmer ändert. Druckerhöhung begünstigt die Reaktion, welche die Stoffmenge der Gase und damit den Druck vermindert.