Stöchiometrie - Zum Verlauf chemischer Reaktionen

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.

Bei Gleichgewichtsvorgängen laufen Hin- und Rückreaktion gleichzeitig ab. Eine vollständige Umwandlung der Edukte in Produkte ist nicht möglich. Im geschlossenen System stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Ein Gleichgewichtszustand kann sich nur in einem geschlossenen System einstellen und bleibt nur in einem isolierten System erhalten. Im Gleichgewichtszustand gilt:

• Hin- und Rückreaktion sind gleich schnell (dynamisches Gleichgewicht).
• Der Energieumsatz ist null.
• Die Zusammensetzung des Reaktionsgemischs bleibt unverändert.
• Die Reaktion steht scheinbar still.

Die Indices gehören zur Formel und beschreiben die Zusammensetzung des Stoffs bzw. seiner Teilchen: O₂, Al₂O₃, CO₂.

Ein Katalysator beschleunigt eine Reaktion (bei gleichbleibender Temperatur) oder ermöglicht ihren Ablauf bei einer tieferen Temperatur, ohne dabei verbraucht zu werden. Er senkt die aufzuwendende Aktivierungsenergie.

• Bei der heterogenen Katalyse werden die Edukte an der Oberfläche des Katalysators aktiviert und reagieren dann schon bei tieferer Temperatur.
• Bei der homogenen Katalyse bildet der Katalysator mit einem Edukt ein reaktionsfreudiges Zwischenprodukt.

Die Koeffizienten stehen in der Reaktionsgleichung vor den Formeln. Sie geben das Verhältnis der Stoffmengen bzw. der Teilchenzahlen (bei Gasen auch der Volumina); der Koeffizient 1 wird nicht geschrieben: 4 Na + O2 → 2 Na₂O

Komplex-Ionen bilden sich durch die Anlagerung von Liganden (Dipolen oder Ionen) an ein Metall-Ion. Die Ladung des Komplex-Ions ist die Summe der Ladungen des Zentral-Ions und der Liganden.

Verbindungen höherer Ordnung, deren Teilchen durch den Zusammenschluss von stabilen. Für sich allein existenzfähigen Molekülen und Ionen entstehen.

Teilchen, das aus einem Zentral-Ion und angelagerten Liganden besteht.

Teilchen (Anionen oder Dipole), die in einem Metallkomplex an das Zentral-Ion gebunden sind.

Aus den Gleichgewichtskonzentrationen lässt sich nach dem Massenwirkungsgesetz ein Quotient berechnen, der bei einer bestimmten Temperatur konstant ist Gleichgewichtskonstante (K). Für eine Reaktion mit der Gleichung

\(\textcolor{blue}{2} \text{ A + } \textcolor{blue}{4} \text{ B} \rightleftharpoons \text{D + } \textcolor{blue}{3 } \text{ E ist die Gleichgewichtskonstante: } K = {c(D) \times c^\textcolor{blue}{3}(E) \over c^\textcolor{blue}{2}(A) \times c^\textcolor{blue}{4}(B)}\)

Einheit der Stoffmenge (Einheitenzeichen: mol). 1 mol enthält 6.02 · 10²³ Teilchen.

Die molare Masse (M) ist eine Stoffeigenschaft, sie ist von der Grösse der Stoffportion unabhängig. Ihr Zahlenwert in g/mol entspricht demjenigen der Teilchenmasse in u. Die molare Masse ist der Quotient aus Masse und Stoffmenge einer Stoffportion: M(X} = m(X) : n(X).

1 mol eines Gases enthält 6.02 · 10²³ Teilchen und hat (bei NB) ein Volumen von 22.4 L. Das molare Volumen eines Gases ist (bei NB) 22.4 L/mol.

Summe der Massen aller Atome eines Moleküls, meist in u.

Teilvorgang einer Redox-Reaktion, bei dem Elektronen abgegeben werden. Früher: Bezeichnung für die Reaktion mit Sauerstoff (Oxygenium).

Wird auf ein geschlossenes System im Gleichgewichtszustand durch Änderung der Bedingungen ein Zwang ausgeübt, so verschiebt sich die Gleichgewichtslage so, dass der äussere Zwang vermindert wird. Bsp.: Zugabe von Edukten beschleunigt die Hinreaktion. Erwärmen begünstigt die endotherme Reaktion.

Die Reaktionsenthalpie (ΔH) ist die Reaktionswärme (in kJ), die bei einer Reaktion unter konstantem Druck umgesetzt wird. Sie wird hinter die Reaktionsgleichung geschrieben und bezieht sich auf die in der Gleichung genannten Stoffmengen (Formelumsatz). Das Vorzeichen ihres Werts ist: positiv (ΔH > 0), wenn die Enthalpie des Systems zunimmt (endotherme Reaktion), negativ (ΔH < 0), wenn das System Energie an die Umgebung verliert (exotherme Reaktion).

Bestimmt die Dauer und beeinflusst die Heftigkeit einer chemischen Reaktion. Sie wird ermittelt, indem man die Konzentration oder die Menge eines Stoffs während der Reaktion in bestimmten Intervallen misst. Sie ändert sich im Verlauf der Reaktion.

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.