Version 0.21 (2014) - lern-soft

Allgemeine Chemie
(für Biologie und Ernährungslehre)
in der Sekundarstufe II
(Fachoberschule, Fachgymnasium, Gymnasium)
Teil 3: chemische Reaktion
Autor: L. Drews
Bilder-Quellen (z.T. nachbearb.): commons.wikimedia.org (Algarech + Van Flamm); UD-Bildschirmschoner; …, lsp: dre
Version 0.21 (2014) teilredigierte Arbeitsversion!!!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-1-
(c,p) 2009-2014 lern-soft-projekt: drews
Legende:
mit diesem Symbol werden zusätzliche Hinweise, Tips und weiterführende Ideen gekennzeichnet
Nutzungsbestimmungen / Bemerkungen zur Verwendung durch Dritte:
(1) Dieses Skript (Werk) ist zur freien Nutzung in der angebotenen Form durch den
Anbieter (lern-soft-projekt) bereitgestellt. Es kann unter Angabe der Quelle und /
oder des Verfassers gedruckt, vervielfältigt oder in elektronischer Form veröffentlicht werden.
(2) Das Weglassen von Abschnitten oder Teilen (z.B. Aufgaben und Lösungen) in
Teildrucken ist möglich und sinnvoll (Konzentration auf die eigenen Unterrichtsziele, -inhalte und -methoden). Bei angemessen großen Auszügen gehören das
vollständige Inhaltsverzeichnis und die Angabe einer Bezugsquelle für das Originalwerk zum Pflichtteil.
(3) Ein Verkauf in jedweder Form ist ausgeschlossen. Der Aufwand für Kopierleistungen, Datenträger
oder den (einfachen) Download usw. ist davon unberührt.
(4) Änderungswünsche werden gerne entgegen genommen. Ergänzungen, Arbeitsblätter, Aufgaben
und Lösungen mit eigener Autorenschaft sind möglich und werden bei konzeptioneller Passung
eingearbeitet. Die Teile sind entsprechend der Autorenschaft zu kennzeichnen. Jedes Teil behält
die Urheberrechte seiner Autorenschaft bei.
(5) Zusammenstellungen, die von diesem Skript – über Zitate hinausgehende – Bestandteile enthalten, müssen verpflichtend wieder gleichwertigen Nutzungsbestimmungen unterliegen.
(6) Diese Nutzungsbestimmungen gehören zu diesem Werk.
(7) Der Autor behält sich das Recht vor, diese Bestimmungen zu ändern.
(8) Andere Urheberrechte bleiben von diesen Bestimmungen unberührt.
Rechte Anderer:
Viele der verwendeten Bilder unterliegen verschiedensten freien Lizenzen. Nach meinen Recherchen
sollten alle genutzten Bilder zu einer der nachfolgenden freien Lizenzen gehören. Unabhängig von
den Vorgaben der einzelnen Lizenzen sind zu jedem extern entstandenen Objekt die Quelle, und
wenn bekannt, der Autor / Rechteinhaber angegeben.
public domain (pd)
Zum Gemeingut erklärte Graphiken oder Fotos (u.a.). Viele der verwendeten Bilder entstammen Webseiten / Quellen US-amerikanischer Einrichtungen, die im Regierungsauftrag mit öffentlichen Mitteln finanziert
wurden und darüber rechtlich (USA) zum Gemeingut wurden. Andere
kreative Leistungen wurden ohne Einschränkungen von den Urhebern
freigegeben.
gnu free document licence (GFDL; gnu fdl)
creative commens (cc)
od. neu
… Namensnennung
… nichtkommerziell
… in der gleichen Form
… unter gleichen Bedingungen
Die meisten verwendeten Lizenzen schließen eine kommerzielle (Weiter-)Nutzung aus!
Bemerkungen zur Rechtschreibung:
Dieses Skript folgt nicht zwangsläufig der neuen ODER alten deutschen Rechtschreibung. Vielmehr wird vom Recht auf künstlerische Freiheit, der Freiheit der
Sprache und von der Autokorrektur des Textverarbeitungsprogramms microsoft ®
WORD ® Gebrauch gemacht.
Für Hinweise auf echte Fehler ist der Autor immer dankbar.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-2-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Inhaltsverzeichnis:
Seite
5. chemische Reaktion .................................................................................... 4
5.0. erste allgemeine und wiederholende Betrachtungen ............................................. 4
Methode: Schrittfolge zum Aufstellen und Ausgleichen von chemischen Gleichungen
(Empfehlungen) .......................................................................................................... 8
Experimente zum Thema: Chemische Reaktion / physikalischer Vorgang ........... 13
5.1. Teilchen- und Stoß-Theorie der chemischen Reaktion ........................................ 17
5.1.1. die Stoß-Theorie ............................................................................................... 17
5.1.2. die Theorie des Übergangszustandes ............................................................ 21
5.1.3. der typische Reaktions-Ablauf ........................................................................ 23
5.2. die Thermodynamik chemischer Reaktionen ........................................................ 24
5.2.1. einfache Thermodynamik chemischer Reaktionen ........................................ 24
5.2.2. weiterführende Thermodynamik chemischer Reaktionen ............................. 28
5.3. die Kinetik chemischer Reaktionen ....................................................................... 32
5.3.1. einfache Kinetik chemischer Reaktionen ....................................................... 32
5.3.1. die Reaktions-Geschwindigkeit....................................................................... 33
Methode der Anfangsgeschwindigkeit ...................................................................... 37
5.3.1.1. Reaktionsordnung ....................................................................................... 39
5.3.1.2. Abhängigkeit der Reaktions-Geschwindigkeit gerichteter Reaktionen.......... 43
Konzentrations-Abhängigkeit.................................................................................... 43
Temperatur-Abhängigkeit ......................................................................................... 44
Druck-Abhängigkeit .................................................................................................. 46
5.3.2. das chemische Gleichgewicht......................................................................... 48
5.3.2.1. das Massenwirkungs-Gesetz ....................................................................... 49
5.3.2.2. Abhängigkeit und Beeinflussung des chemischen Gleichgewichtes ............ 49
Konzentrations-Abhängigkeit.................................................................................... 50
Temperatur-Abhängigkeit ......................................................................................... 51
Druck-Abhängigkeit .................................................................................................. 53
5.4. Arten chemischer Reaktionen ................................................................................ 57
5.4.1. Säure-Base-Reaktionen / Reaktionen mit Protonen-Übergang / Protolysen 59
5.4.1.1. Säure- und Base-Begriffe / Säure-Base-Konzepte....................................... 62
Methode: Aufstellen von Neutralisations-Gleichungen.............................................. 77
Exkurs: Regeln zum Aufstellen der Namen für Salze ............................................... 80
5.4.1.2. der pH-Wert ................................................................................................. 87
5.4.1.3. Puffer / Puffer-Lösungen.............................................................................. 92
5.4.1.4. Bildung von (anorganischen) Salzen ........................................................... 94
5.4.2. Redox-Reaktionen / Reaktionen mit Elektronen-Übergang ........................... 95
5.4.2.1. klassische Betrachtung von Oxidation und Reduktion ................................. 95
Exkurs: die Phlogiston-Theorie ................................................................................. 96
5.4.2.2. die moderne Betrachtung von Oxidation und Reduktion .............................. 99
Methode: Aufstellen von Redox-Gleichungen ......................................................... 107
5.4.2.3.
Sonderfälle
der
Redox-Reaktionen
Disproportionierung
und
Komproportionierung .............................................................................................. 110
5.4.2.y. elektro-chemische Reaktionen (Elektro-Chemie) ....................................... 111
5.5. Nachweis-Reaktionen ........................................................................................... 114
5.5.1. einfache Stoff-Nachweise .............................................................................. 115
5.5.2. einfache Ionen-Nachweise ............................................................................. 116
5.5.3. Nachweise für Stoffgruppen .......................................................................... 117
5.5.4. Nachweise für Lebensmittel-Bestandteile .................................................... 118
Literatur und Quellen: ................................................................................. 123
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-3-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5. chemische Reaktion
5.0. erste allgemeine und wiederholende Betrachtungen
Physikalische und chemische Grundkenntnisse (z.B. Merkmale, Eigenschaften und Vorgänge) haben wir nun zur Genüge wiederholt oder auf das notwendige Level gebracht. Wenden
wir uns nun unserem eigentlichen Inhalt in der Chemie zu – den chemischen Reaktionen.
Chemie ist eben, wenn es knallt, pufft und stinkt.
Chemische Veränderungen haben die Menschen schon frühzeitig fasziniert.
Schon lange vor der hochentwickelten Feuerwerks-Kunst der Chinesen benutzten die
Menschen die verschiedensten chemischen
Reaktionen zur Herstellung von Materialien,
der Erzeugung von Wärme und Energie, der
Zubereitung von Nahrung und vielem anderen mehr.
Eine wichtige Epoche für die "Erkenntnis"
chemischer Reaktionen war die Allchemie im
Mittelalter. Hier begannen Forscher systematisch Stoffe und ihre Reaktionen miteinander zu untersuchen.
Die Abgrenzung zwischen Physik und Chemie ist eigentlich nicht so einfach, wie es auf den
ersten Blick scheint. Beide Wissenschaften beschäftigen sich u.a. mit Stoffen. Sie analysieren ihre Eigenschaften und Veränderung. In der Schule werden Änderungen an den Zuständen (fest, flüssig und gasförmig) im Allgemeinen der Physik zugeschrieben. Kommt es dagegen zu veränderten (neuen) Stoffen, dann sind wir eher im Gebiet der Chemie. Betrachtet
man z.B. radioaktive Vorgänge, dann tut sich ein kleines Problem auf. Durch Radioaktivität
kann es ebenfalls zur Bildung neuer Stoffe kommen. Der radioaktive Zerfall des Isotopes 14C
zeigt dies beispielhaft:
14
C
14
N + e
-
… Elektron-Antineutrino
+
böse Frage zwischendurch:
Welches elementare Teilchen muss sich hier umwandeln? Zeigen Sie dies u.a.
auch durch Hinzufügen der Kernladungszahlen in der Gleichung!
Definition(en): chemische Reaktion / chemischer Vorgang
Unter einer chemischen Reaktion versteht man einen Vorgang / Prozess, bei dem neue
Stoffe mit neuen Eigenschaften entstehen.
Trotzdem werden solche Vorgänge heute eher selten der Chemie zugerechnet. Traditionell
scheint es in einigen Bundesländern eine historische bedingte Zuordnung der Kernvorgänge
zur Chemie zu geben. Diesem Ansatz folgen wir hier nicht.
In der modernen Wissenschaft sieht man die Chemie als Physik der Elektronenhüllen. Chemische Veränderungen sind also immer mit Veränderungen der Elektronen-Hüllen und –
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-4-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Zuständen verbunden. Somit fallen die Kernreaktionen, Radioaktivität usw. aus dem chemischen Interesse heraus.
Der aufmerksame Leser wird nun gleich anmerken, dass ja auch die Ionen-Bildung oder die
Absorptions- und Emissions-Vorgänge Veränderung der Elektronen-Hüllen sind. Natürlich ist
das richtig. Hier sind wir im Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Meist verknüpft man
einfach die Merkmale "Veränderung der Elektronen-Hüllen" und "Veränderung der Stoffe",
dann kann man eine gut funktionierende Definition aufstellen.
Aufgaben:
1. Definieren Sie die Wissenschaft / den Begriff Chemie!
2. Vergleichen Sie Ihre Definition mit mindestens drei anderen aus dem Internet und verschiedener Fach-Literatur!
Aus traditioneller (allchemistischer) Sicht gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Arten von
chemischen Reaktionen. Manchmal gehr man sogar soweit, dass es sich um zwei verschiedene Arten der Chemie selbst handelt.
Die erste Art – von chemischen Reaktionen – mit denen sich die frühen Chemiker herumgeschlagen haben, sind die aufklärenden Untersuchungen gewesen. Man wollte einfach wissen, woraus der eine oder andere Stoff besteht und "was die Welt im Innersten zusammenhält" (GOETHE). Solche Reaktionen nennen wir Analysen.
Wenn man einfache, allgemeine Reaktions-Schemata für die Analysen angeben soll, dann
tauchen die folgenden bestimmt besonders häufig auf:
A
B + C
A
B + C + D
Der Stoff A wird durch irgendwelche Methoden (z.B. Erhitzung, Elektrolyse, Bestrahlung) in
mehrere Teile zerlegt. Dabei kann man davon ausgehen, dass diese Teile zu einem Großteil
die Bau-Bestandteile von A waren. Setzt man eine zweiten Stoff X zu, um A zu zerlegen /
zerstören, dann wären auch solche Schemata denkbar:
A + X
B + C
A + X
B + C + D
Natürlich lassen sich die Reihen auf noch mehr Stoffe erweitern.
Definition(en): Analyse
Chemische Vorgänge, bei denen ein (Rein-)Stoff in einfachere Verbindungen oder Elementen zerlegt wird, nennt man Analysen.
Die Analyse eines Stoffes ist die Aufklärung seiner Bestandteile.
Das Gegenstück zu den Analysen sind die Synthesen. Hier soll ein Stoff gezielt zusammengebaut werden. Das große Ziel der allchemistischen Synthesen sollte das Gold sein, was
sich aber als unrealisierbare Möglichkeit herausstellte.
Wenn wir nun unseren Stoff A bilden wollen, dann können wir zuerst einmal versuchen die
Analysen einfach umzudrehen:
B + C
A
B + C + D
A
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-5-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
oder:
B + C
A + X
B + C + D
A + X
In den meisten Fällen führt das auch zum Erfolg. Manchmal bedarf es anderer Reaktionen,
die sich aber nicht im Schema unterscheiden:
E + F
A
E + F + G
A
H + J
A + X
H + J + K
A + X
Definition(en): Synthese
Chemische Vorgänge, bei denen ein (Rein-)Stoff aus einfacheren Verbindungen oder Elementen gebildet wird, nennt man Synthesen.
Die Synthese eines Stoffes ist chemisch-technisch gesehen ein Verfahren zur Herstellung
dieses Stoffes.
In der Chemie gibt es ein verbindliches Vorschriften-System zur Darstellung von chemischen
Reaktionen. Das Mittel ist die chemische Gleichung, die bis auf einen oder zwei gerichtete
Pfeile – statt einem Gleichheits-Zeichen – genau auch dem Anspruch einer Gleichung erfüllen muß. Mit anderen Worten sachlich müssen die linke und die rechte Seite der chemischen
Gleichung auch wirklich gleich sein. Für den Chemiker heißt dies, dass z.B. auf beiden Seiten gleichviele Atome vorkommen müssen. Auch die Summe der Ladungen muß auf beiden
Seiten äquivalent sein.
Die Ausgangsstoffe (Edukte, Reaktanten) stehen üblicherweise auf der linken Seite der Gleichung. Über dem Reaktions-Pfeil, der die rechte Seite mit den Produkten abtrennt, können
die Reaktions-Bedingungen notiert werden:
Reaktionsbedingungen
Edukte
Produkte
Kann parallel zur Produkt-Bildung auch die Rückbildung der Edukte (Zerfall der Produkte)
beobachtet werden, dann unterscheidet man Hin- und Rück-Reaktion, die in einer gemeinsamen Reaktions-Gleichung notiert werden können:
Hinreaktion
Edukte
Produkte
Rückreaktion
Hinter den Produkten folgt oftmals noch eine Angabe zu Energie-Aufnahme oder –Abgabe:
Edukte
Produkte
; RH = x kJ/mol
Dazu werden wir gleich noch genauere Angaben machen.
Chemische Reaktionen zeigen verschiedene charakteristische Merkmale. Sie lassen sich so
zusammenfassen:
Merkmale einer chemischen Reaktion:
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-6-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre




Stoffumwandlung
Energieumwandlungen /-Veränderungen
Veränderungen der Bindungen
Veränderungen der Teilchen und / oder ihrer Arten
Das Merkmal der Stoffumwandlung ist meist relativ leicht nachzuvollziehen. Im Verlauf einer chemischen Reaktion verändern sich die Stoffe. Da jeder Stoff mit charakteristischen Eigenschaften ausgestattet ist, können wir durch Vergleich der Eigenschaften der Ausgangsstoffe mit denen der Reaktionsprodukte Veränderungen erkennen.
2 Mg
+
fest
silberfarbend
glänzend
O2
2 MgO
gasförmig
farblos
geruchlos
fest, pulvrig
weiß
in W. lösl.
Mit Hilfe der neuen Eigenschaften (der entstehenden Stoffe) können wir auch oft die Art der
Reaktionsprodukte bestimmen.
Die offensichtlichsten Zeichen von Energie-Umwandlungen sind die häufig auftretenden
Energie-Abgaben. Bei Verbrennungen / Oxidationen – wie der vom Magnesium – treten helle
Licht-Erscheinungen oder / und Wärme-Abgaben auf.
Betrachten wir aber einmal den Verlauf der Reaktion (Vergasung von Kohle) von glühender Kohle mit Wasserdampf (Wassergas):
C + H2O
RH = 131 kJ / mol
CO + H2 ↑
Bei dieser Reaktion muss Energie zugefügt werden, damit die Reaktion läuft. Es reicht auch
nicht, wie bei vielen anderen Reaktionen ein bisschen Anwärmen, um die Reaktion zu starten, sondern hier ist ständiger Energie-Einsatz notwendig.
Den energetischen Verlauf einer chemischen Reaktion kann man in einem EnergieSchemata darstellen.
Die Ausgangsstoffe C und H2O haben
vor der Reaktion ein bestimmtes Energie-Niveau. Dieses ist weitaus größer als
0 kJ / mol. Es lässt sich nicht genau bestimmen. Der absolute Energie-Inhalt
eines Stoffes ist derzeit noch nicht zugänglich. Gut bestimmbar sind aber
Energie-Differenzen, wie z.B. die Bildungs-Energie (= Bildungs-Eenthalpien) eines Stoffes aus seine Elementen. Da die
Elemente nicht aus Elementen gebildet
werden können, wird deren BildungsEnthalpie auf 0 kJ / mol gesetzt. Damit
hat man eine gute relative Bezugsgröße.
Hier soll nochmals betont werden, dass eine Bildungs-Enthalphie von 0 kJ / mol nicht bedeutet,
dass der Stoff keine Energie besitzt. Die besitzt er
natürlich, aber wir können den genauen Wert
nicht bestimmen. Nur die Messung von Veränderungen sind derzeit physikalisch möglich. Deshalb
schreiben wir auch immer  H bzw.  E ( für
delta ... Differenz / Veränderung). Chemisch lassen sich Elemente nicht aus anderen "kleineren"
Teilchen bilden, deshalb ist die BindungsEnthalphie definitionsgemäß auf 0 kJ/mol gesetzt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
einfaches Energie-Niveau-Schema einer Reaktion
mit (notwendiger) Energie-Aufnahme
-7-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Methode: Schrittfolge zum Aufstellen und Ausgleichen von chemischen
Gleichungen (Empfehlungen)
Das Aufstellen und Ausgleichen von chemischen Reaktions-Gleichungen wird häufig als schwieriges
Problem in der Chemie betrachtet. Praktisch ist es eigentlich recht einfach, wenn man bestimmte Regeln und Arbeitsschritte beachtet. Die folgenden Arbeitsschritte führen in den meisten Fällen zum
Erfolg:
Beispiel:
Eisen(II,III)-oxid soll mit Hilfe von Aluminium zu Eisen reduziert werden.
1. Erfassen von Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten (bei Bedarf zuerst als Wortgleichung)! Die
Ausgangsstoffe werden auf der linken Seite, die Reaktionsprodukte auf der rechten Seite mit Plus
getrennt notiert. Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte sind durch einen Reaktionspfeil voneinander getrennt (der Doppelpfeil darf ebenfalls verwendet werden).
(solange eine Gleichung noch nicht fertiggestellt ist, sollten links und rechts senkrechte Striche als Kennzeichen
genutzt werden)
| Eisen(II,III)-oxid + Aluminium
Eisen |
2. Umwandeln der Stoffnamen in chemische Symbole bzw. Formeln! Verwenden Sie dazu –
zumindestens bis Sie sich sicher sind und weitesgehend fehlerfrei arbeiten - ein Tafelwerk!
| Fe3O4 + Al
Fe |
3. Ergänzen fehlender Elemente / Stoffe! Prüfen Sie, ob alle Elemente auf beiden Seiten vorkommen
oder, ob noch Stoff ergänzt werden müssen! Man kann sich die Elemente usw. immer gut unter
der (werdenden) Gleichung notieren (als eine Art Nebenrechnung (z.B. mit Bleistift)).
| Fe3O4 + Al
Fe
O
Al
Fe |
Fe
In diesem Fall brauchen wir auf der Produkte-Seite noch Al und O. Als mögliche Verbindung
kommt hier Aluminiumoxid in Frage (Die Oxidation von Aluminium würde auch gut zur erwähnten Reduktion passen).
| Fe3O4 + Al
Fe
O
Al
Fe + Al2O3 |
Fe
Al
O
4. Erfassen der Stoffmengen / Atom-Zahlen auf beiden Gleichungs-Seiten! Beachten Sie dabei sowohl die indizierten Mengen-Angaben, wie auch die Mengen-Angaben, die ev. schon vor einer
Formel stehen!
| Fe3O4 + Al
Fe
3
O
4
Al
1
Fe + Al2O3 |
Fe
1
Al
2
O
3
5. Ausgleichen der einzelnen Elemente über das "kleinste gemeinsame Vielfache"! Gehen Sie dabei
für jedes Element einzeln vor! Zuerst sollte man die Elemente ausgleichen, die auf der Ausgangsstoff-Seite besonders häufig vorkommen! An gerade ausgeglichene Elemente gebundene weitere
Elemente sollten dann gleich nachfolgend bearbeitet werden! (Bei anorganischen Reaktionen sollte man sich
immer zuerst an die "besonderen" Metall- und Nichtmetall-Elemente heranmachen, zum Schluss können dann die "gewöhnlichen" Elemente, wie Wasserstoff und Sauerstoff folgen! Bei organischen Reaktionen hat sich die Reihenfolge C – H – O –
weitere Elemente als recht praktisch herausgestellt.)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-8-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
| Fe3O4 + Al
Fe + Al2O3 |
1. Runde:
Fe
3
O
4
Al
1
Fe
1
Al
2
O
3
3
| Fe3O4 + Al
3 Fe + Al2O3 |
Hinweis!:
die 1 (vor Fe3O4) wird nicht
mitgeschrieben!
2. Runde:
Fe
3
O
4
Al
1
Fe
3
Al
2
O
3
2
| Fe3O4 + 2 Al
3 Fe + Al2O3 |
3. Runde:
Fe
3
O
4
Al
2
Fe
3
Al
2
O
3
12
| 3 Fe3O4 + 2 Al
3 Fe + 4 Al2O3 |
4. Runde:
Fe
9
O
12
Al
2
Fe
3
Al
8
O
12
Wenn alle Elemente 1x durch
sind, dann wieder von vorne
anfangen (zumindestens um
den Erfolg zu kontrollieren)!
9
| 3 Fe3O4 + 2 Al
9 Fe + 4 Al2O3 |
5. Runde:
Fe
9
O
12
Al
2
Fe
9
Al
8
O
12
8
| 3 Fe3O4 + 8 Al
9 Fe + 4 Al2O3 |
6. Runde:
Fe
9
O
12
Al
8
Fe
9
Al
8
O
12
keine Differenzen mehr  damit fertig:
3 Fe3O4 + 8 Al
9 Fe + 4 Al2O3
6. Kontrolle, ob z.B. auch Ladungen ausgeglichen! Die chemische Gleichung muss insgesamt dem
Anspruch einer mathematischen Gleichung genügen.
3 Fe3O4 + 8 Al
9 Fe + 4 Al2O3
0
0
keine Differenz  damit fertig:
3 Fe3O4 + 8 Al
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
9 Fe + 4 Al2O3
-9-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben (Ausgleichen von chemischen Gleichungen):
1. Gleichen Sie aus! (Für weitere vertiefende Übungen und zur Wiederholung
der Chemie aus der allgemeinbildenden Schule stehen weitere Informationen zu den Reaktionen in Klammern!)
a) CH4 + Cl2
b) Cu2O
+
CH3Cl + HCl (Methan wird mit Chlor substituiert, es bildet sich Monochlormethan und Chlorwasserstoff)
H2
Cu + H2O (Cupfer(I)oxid wird mit Wasserstoff
reduziert, es entsteht elementares Cupfer und Wasser)
c) SO2 + H2O
d) Cu
+
H2SO3 (Schwefeldioxid reagiert mit Wasser zu schwefliger Säure) [Nichtmetalloxid + Wasser  Säure]
O2
CuO
e) Al + O2
Al2O3 (Aluminium wird (mit Sauerstoff) verbrannt / oxidiert zu
Aluminiumoxid)
f) Na + Cl2
g) P
+
(Cupfer wird (mit Sauerstoff) verbrannt / oxidiert zu
Cupfer(II)-oxid)
NaCl (Natrium verbrennt in Chlor zu Natriumchlorid (Kochsalz)) [Metall + Nichtmetall  Salz]
Cl2
PCl3
h) Fe2O3 + C
(Phosphor verbrennt in Chlor zu Phosphortrichlorid
(Phosphor(III)-chlorid))
Fe + CO (Eisen(III)-oxid wird mit Cohlenstoff zu Eisen
und Cohlenmonoxid reduziert (Hochofen-Prozess))
i) Mg(OH)2 + H3PO4
Mg3(PO4)2 + H2O (Magnesiumhydroxid wird mit
Phosphorsäure neutralisiert, es bildet sich Magnesiumphosphat und Wasser)
[Base + Säure  Salz + Wasser]
j) C6H12O6
+
O2
k) N2 + H2
CO2
+ H2O (Glucose wird mit Sauerstoff zu
Cohlendioxid und Wasser umgesetzt (ZellAtmung))
NH3 (Bildung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff)
l) K2O + H2O
KOH (Kaliumoxid reagiert mit Wasser zu Kaliumhydroxid)
[Metalloxid + Wasser  Base]
2. Prüfen Sie welche alternativen Gleichungen (mit anderen ZahlenKombinationen) möglich sind! Begründen Sie Ihre Auswahl!
3. Stellen Sie zu den folgenden Wort- bzw. Stoff-Gleichungen passende chemische Gleichungen auf!
a) Magnesium verbrennt in der Luft (/mit Sauerstoff) zu Magnesiumoxid
b) Ethan wird mit Chlor substituiert, es bildet sich Monochlorethan und Chlorwasserstoff
c) Phosphor verbrennt zu (Di-)Phosphorpentoxid (Phosphor(V)-oxid)
d) Natrium reagiert mit Sauerstoff zu Natriumoxid
e) Zink reagiert mit Chlorwasserstoffsäure (Salzsäure) zu Zinkchlorid und Wasserstoff(Gas) [Metall + Säure  Salz + Wasserstoff]
f) (Di-)Stickstoffdioxid (Stickstoff(II)-oxid) reagiert mit Sauerstoff zu (Di-)Stickstoffpentoxid
(Stickstoff(V)-oxid
g) Calciumcarbonat wird mit Salzsäure umgesetzt, es bildet sich Calciumchlorid, Wasser
und Cohlendioxid
h) Natrium reagiert mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid [Metall + Wasser 
Base]
i) Silbernitrat reagiert mit Blei(IV)-chlorid zu Silberchlorid und Blei(IV)-nitrat
j) Aluminium reagiert in Schwefelwasserstoff(-Gas) zu Aluminiumsulfid und Wasserstoff(Gas)
k) Zinn(IV)-chlorid reagiert mit Wasser zu Zinnhydroxid und Chlorwasserstoff
l) Blei(II)-oxid reagiert mit schwefliger Säure zu Blei(II)-sulfit und Wasser [Metalloxid +
Säure  Salz und Wasser]
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 10 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
4. Ergänzen Sie die folgenden Wort- bzw. Stoff-Gleichungen um fehlende
Stoffe und stellen Sie dazu die chemischen Gleichungen auf!
a) Wasserstoff + ???
Wasser
b) ??? + Sauerstoff
Schwefeldioxid
c) Magnesiumoxid + ???
??? + Wasser
d) Magnesium reagiert mit ??? zu Magnesiumoxid
e) Mangan reagiert mit Schwefelsäure zu Mangansulfat ((und einem Gas))
f) Schwefeldioxid verbrennt zu Schwefeltrioxid
g) Eisen reagiert mit ??? zu Eisen(III)-chlorid
h) Methan wird Brom substituiert
i) Quecksilber(I)-oxid reagiert mit Salpetersäure und Sauerstoff zu Quecksilber(II)-nitrat
und ???
j) Silbernitrat reagiert mit Zinkchlorid zu Silberchlorid und Zinknitrat
5. Stellen zu den folgenden Reaktions-Beschreibungen die vollständigen Wortbzw. Stoff-Gleichungen sowie die chemischen Gleichungen auf!
a) Verbrennung von Aluminium
b) (Mono-)Stickstoff(mon-)oxid wird zu Distickstofftrioxid umgesetzt
c) Natriumoxid wird in Wasser gelöst, es bildet sich u.a. Natriumhydroxid
d) Calcium wird oxidiert
e) Aluminiumhydroxid reagiert mit Schwefelsäure
f) Eisen(III)-oxid wird mit Cohlenstoff umgesetzt
g) Methan wird mit Brom substituiert
h) salpetrige Säure wird mit Calciumhydroxid umgesetzt / neutralisiert
i) Calciumcarbonat reagiert in Lösung mit Cohlendioxid zu Calciumhydrogencarbonat
j) Phosphorchlorid reagiert mit Wasser zu (Di-)Phosphortrioxid und Chlorwasserstoff
6. Ergänzen Sie eventuelle Fehlstellen und stellen Sie die vollständigen chemischen Gleichungen auf! (ev. müssen auch weitere Stoffe ergänzt werden!)
a) Schwefeltrioxid reagiert mit Wasser
b) P + ???
PCl3
c) CuS + ???
CuO + SO2
d) Fe + Br2
(Hinweis!: Eisen ist meist drei-wertig)
e) Na2O + H2O
f) SO2 + ???
SO3
g) Aluminium reagiert mit ??? zu Aluminiumbromid
h) Calciumoxid wird in Wasser gelöst
i) Phosphorpentoxid wird in Wasser gelöst
j) Helium wird mit Sauerstoff erhitzt
für die gehobene Anspruchsebene:
7. Finden Sie die Fehler in den folgenden Gleichungen! (Die Fehleranzahl ist
in geschweiften Klammern angegeben! Je nach Auslegung können es natürlich auch noch mehr Fehler sein.)
a) 2 C + 3 O2
b) Li + O2
c) 3 Fe + Cl3
d) Na2O2 + 2 HO
e) Mg + Br
f) Al3O2 + 4 H2O
g) CO2 + H2O
h) H3SO3 + MgOH
i) CH4 + Cl2
j) Mn + H2SO4
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
2 CO3
{4}
{3}
FeCl3
{4}
Na(OH)2
{5}
AlF2
{3}
Al3(OH)4
{6}
C6H12O6 + O2
{3}
MgSO4 + H3O
{4}
CH2Br2 + 2 HCl
{2}
Mn2(SO3)3 + O2 + H2O {3}
LiO2
- 11 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Für einen effektiven Zusammenstoß müssen die Teilchen eine bestimmte Energie (Bewegungs-Energie) besitzen. Diese nennen wir Aktivierungs-Energie EA, weil sie quasi die Reaktion in Gang setzt. Nur mit ihr kann es zum Umbau der chemischen Bindungen kommen.
Eventuell muss den Ausgangsstoffen noch Energie zugeführt werden, damit genug Teilchen
eine ausreichende Energie besitzen. Erst dann können genügend effektive Zusammenstöße
im Stoffgemisch ausführen werden.
Wie wir schon gesehen haben gibt es
zwei mögliche Fälle. Entweder die Reaktion benötigt Energie, wie es z.B. in der
oben vorgestellten Reaktion der Fall ist.
Dann wird nicht der gesamte Teil der
zugeführten (Aktivierungs-)Energie wieder abgegeben. Die Reaktionsprodukte
haben letztendlich ein höheres EnergieNiveau als die Ausgangsstoffe. Eine Reaktion, die Energie für ihren Ablauf bindet ("verbraucht"), nennen wir endotherm.
Im zweiten Fall ist der Reaktionsverlauf
von einer größeren Energie-Abgabe begleitet (z.B. Licht, Wärme, elektrische
Energie). Diese Energie-Abgabe übersteigt auch die zugeführte Energie (zur
Aktivierung der Reaktion). In so einem
Fall nennen wir die Reaktion exotherm.
Exotherme Reaktionen erkennt man an
einfaches Energie-Niveau-Schema
einem Minus-Zeichen vor dem Energieeiner exothermen Reaktion
Betrag.
Insgesamt müssen wir uns aber immer
vergegenwärtigen, dass Energie nie neu
entsteht oder einfach so verschwindet.
Die Summe aller Energien ist immer konstant. Wir haben es immer nur mit EnergieUmwandlungen zu tun (Energie-Erhaltungssatz).
Die Veränderungen der Bindungen lassen sich am Aufbrechen von Bindungen ("Lösen der
Bindungen") und am Neuknüpfen solcher festmachen. In unserem Beispiel werden die Bindungen zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen (des Wassers) aufgebrochen. Neue
Bindungen entstehen im molekularen Wasserstoff und im Cohlenmonoxid(-Molekül).
Auch die Bindungs-Arten ändern sich. Im Cohlenstoff finden wir eine Atom-Bindung. Die
Atome im Wasser sind über eine Atombindung mit teilweisen Ionen-Charakter (auch: polare
Atom-Bindung) verknüpft. In den Reaktionsprodukten finden wir ebenfalls eine Atom-Bindung
(Wasserstoff-Molekül) und eine polare Atombindung (Cohlenmonoxid). Diese ist hier aber weitaus
schwächer ausgebildet, als beim Wasser-Molekül.
Im gewissen Sinne hätten wir damit auch das letzte Merkmal der chemischen Reaktion – die
Veränderungen der Teilchen – mit abgehandelt. Die Teilchen bzw. ihre Arten haben sich
deutlich geändert. Aus einem Feststoff (Atom-Gitter) und einem Molekül entstehen zwei
neue Moleküle. Später werden wir auch noch sehen, dass sich auch die Art der Teilchen
(Atome bzw. Ionen) u.U. verändert.
Zur Unterscheidung von chemischen Reaktionen hat man diverse Möglichkeiten. Jede rückt
besondere Aspekte einer chemischen Reaktion (bzw. einer Gruppe von Reaktionen) in den
Vordergrund.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 12 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): exotherme Reaktion
Chemische Reaktionen, bei denen es insgesamt zu einer Energie-Abgabe kommt, nennen
wir exotherm.
Eine exotherme Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der mehr Energie abgegeben als
aufgenommen (z.B. zur Aktivierung) wird.
Definition(en): endotherme Reaktion
Chemische Reaktionen, bei denen es insgesamt zu einer Energie-Aufnahme kommt, nennen wir endotherm.
Eine endotherme Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der mehr Energie aufgenommen (einschließlich der Aktivierung) als abgegeben wird.
Die Vielzahl von verschiedensten chemischen Reaktionen schreien schon nach einer weitreichenden Klassifizierung. Einige Möglichkeiten haben wir gerade wiederholt bzw. kennengelernt. Solche Einteilungs-Möglichkeiten waren:
nach der Reaktions-Arten
 Synthesen (Bildungs-Reaktionen)
 Analysen (Zerlegungs- bzw. Spaltungs-Reaktionen)
 Kombinationen aus Analysen und Synthesen (Umwandlungen)
nach dem energetischen Verlauf
 endotherme Reaktionen (Reaktionen mit/unter Energie-Aufnahme)
 exotherme Reaktionen (Reaktionen mit /unter Energie-Abgabe)
Diejenigen, die sich schon mit organischer Chemie beschäftigt haben, kennen vielleicht noch
das Einteilungs-Prinzip nach dem Reaktions-Schema:
 Additions-Reaktionen
A + B
C
 Eleminierungs-Reaktionen
A
B + C
 Substitutions-Reaktionen
A + B
C + D
Bei geeigneter Differenzierung nach der Angriffs-Art (nukleophil, elektrophil, radikalisch) lassen sich mit diesem Prinzip auch schon erste Einblicke in das Wesen chemischer Reaktionen erhaschen. Für weiterführende Untersuchungen – vor allem im anorganischen Bereich –
bietet sich dagegen die Einteilung nach dem charakterisierendem Verlauf (Wesen der Reaktion) an. Man unterscheidet dann:
 Säure-Base-Reaktionen (Reaktionen mit Protonen-Übergang)
 Redox-Reaktionen (Reaktionen mit Elektronen-Übergang)
 photochemische Reaktionen (Licht-abhängige Reaktionen)
 Komplex-Reaktionen (Bildung, Umwandlung und Zerlegung von Komplexen)
Experimente zum Thema: Chemische Reaktion / physikalischer
Vorgang
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 13 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Labor-Experiment 5.0.A
Durchführung / Ablauf:
- Wir erhitzen ein Stück Schwefel (Würfel 1 x 1 x 1 cm) oder entsprechende Menge Pulver in einem
Reagenzglas (RG) vorsichtig über einer Hitze-Quelle (BUNSEN-Brenner od.ä.).
Beobachtungen:
- Die feste, kristalline bis pulvrige Stoff-Probe ist hellgelblich gefärbt und nur sehr schwach bis gar
nicht riechend.
- Der Schwefel schmilzt. Es entsteht eine braune, relativ leichtgängige Flüssigkeit.
- Beim weiteren Erhitzen siedet die Flüssigkeit. Es bildet sich gelblicher Rauch, der sich an den oberen (kälteren) RG-Bereichen absetzt. Die hier abgesetzten festen Teile sind fein-kristallin und gelblich.
- Beim ev. noch weiteren Erhitzen wird die braune Flüssigkeit dick-flüssig und hat nach dem Zerstören des RG eine Gummiartige Konsistenz.
Labor-Experiment 5.0.B
Durchführung / Ablauf:
- Wir erhitzen eine Stück bzw. eine entsprechende Pulver-Menge von Schwefel in einem Verbrennungs-Löffel stark (bis er sich entzündet). Die Verbrennung sollte im Abzug erfolgen und die Produkte ev. in einem ERLENMEYER-Kolben aufgefangen werden
Beobachtungen:
- Die feste, kristalline bis pulvrige Stoff-Probe ist hellgelblich gefärbt und nur sehr schwach bis gar
nicht riechend.
- Der Schwefel schmilzt beim Erhitzen. Es entsteht eine braune (nur bei neuen Löffeln sichtbar), relativ
leichtgängige Flüssigkeit. Die Schmelze fängt dann mit schwacher bläulicher Flamme an zu brennen. Es bildet sich ein stechend riechender Rauch.
Labor-Experiment 5.0.C
Durchführung / Ablauf:
- Es soll versucht werden, die gebildeten Stoffe (Produkte) aus den Experimenten 5.0.A und 5.0.B in
Wasser zu lösen und die Lösung dann mit Unitest-Papier od. –Lösung geprüft werden.
Beobachtungen:
- Die abgesetzten gelblichen Kristalle (Exp. 5.0.A) lösen sich nicht in Wasser. Das Unitest verändert
seine Farbe hin zu neutral.
- Der gelbliche Rauch (Exp. 5.0.B) verschwindet bei Kontakt mit Wasser, auch der Geruch reduziert
sich deutlich (bleibt aber feststellbar). Unitest zeigt eine deutliche Veränderung zu einem sauren
Medium / pH an.
Ergebnisse (Exp. 5.0.C):
- Das Produkt von Exp. 5.0.A hat die gleichen Eigenschaften wie Schwefel, beide Stoffe sind gelblich,
fest, kristallin und wahrscheinlich nicht in Wasser löslich . Eine Stoff-Veränderung hat somit nicht
stattgefunden.
- Das Produkt von Exp. 5.0.B hat die andere Eigenschaften als der Schwefel. Das Produkt bleibt gasförmig (Rauch) und hat einen starken beißenden Geruch, es löst sich Wasser (verschwindet aus
dem Gefäß). Unitest zeigt eine Lösung als Säure an. Da neue Stoffe auftauchen, muss eine StoffVeränderung stattgefunden haben.
Ergebnisse (Exp. 5.0.A):
- Da keine Stoff-Veränderung stattgefunden hat, kann man von physikalischen Vorgängen beim Erhitzen des Schwefels ausgehen. Die Veränderung der Farbe bei der Schmelze zeigt eine veränderte
Struktur des Stoffes an. Da nach dem Sieden und Kondensieren (an der kalten Glaswand) wieder
gelber Schwefel vorhanden ist, wird eine (chemische) Stoffumwandlung hiermit ausgeschlossen.
Ergebnisse (Exp. 5.0.B):
- Da wir mittels Exp. 5.0.C mindestens einen neuen Stoff (mit veränderten Eigenschaften) beobachten
konnten, liegt hier eine chemische Reaktion vor.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 14 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Für eine ordnungsgemäß durchgeführte experimentelle Methode hätten wir natürlich vorher
passende Vorbetrachtungen machen müssen und dann eine geeignete experimentelle These für unseren Versuch aufstellen sollen. Die könnte z.B. so lauten:
Wenn es beim Erhitzen eines Stoffes zur Bildung eines neuen Stoffes mit neuen / anderen
Eigenschaften kommt, dann liegt eine chemische Reaktion vor, sonst handelt es sich um einen physikalischen Vorgang (Änderung des Aggregatzustandes).
Aufgaben:
1. Prüfen Sie ob es sich bei den folgenden Vorgängen um physikalische oder
chemische Vorgänge handelt! Begründen Sie jeweils Ihre Entscheidung!
4
5
6
7
8
Bemerkungen
Beschreibung des Vorgangs
selbst ausprobieren und testen
Schmelzen von (Wasser-)Eis
selbst ausprobieren und testen
Verbrennen von einem Stück Papier
Wasser sieden und den Dampf (Gas) an einem kal- selbst ausprobieren und testen
Vorsicht! Verbrennungs-Gefahr!
ten Gegenstand kondensieren lassen
selbst ausprobieren und testen
Anzünden einer Kerzen und brennen lassen
selbst ausprobieren und testen
Erhitzen von Kerzen-Stücken mit / in Wasser
selbst ausprobieren und testen
Abkühlen lassen der Produkte von Nr. 5
selbst ausprobieren und testen
Lösen von Zucker in Wasser
selbst ausprobieren und testen
Anstecken einer Wunderkerze
9
Vorsicht! Verbrennungs-Gefahr!
selbst ausprobieren und testen
Nr.
1
2
3
10
11
12
13
Lösen von Fett (Öl) auf Wasser unter Zuhilfenahme
eines Geschirrspülmittels
Leuchten einer Lampe im elektrischen Stromkreis
Aufbrühen von Kaffee-Pulver und abfiltrieren der Lö- selbst ausprobieren und testen
Vorsicht! Verbrennungs-Gefahr!
sung
Aufladen eines Akku's
selbst ausprobieren und testen
Kochen eines rohen Eies
Vorsicht! Verbrennungs-Gefahr!
14
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 15 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Vorgang / Sachverhalt
Veränderungen /
Beobachtungen
Vorgangs-Art
Schmelzen von Eis
Übergang vom festen in den flüssigen
Aggregatzustand
Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand
Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand
physikalisch
Blitze und Donner
physikalisch
Abgabe von Licht in
bestimmter Farbe
physikalisch
Verdunsten von Wasser
Sieden von Wasser
Entladung der Atmosphäre
(bei einem Gewitter)
Leuchten eines Stoffes
(in der Flamme / nach dem Erhitzen)
physikalisch
physikalisch
Lösen von Salz in Wasser
Erhitzen von Salz
(bis zur Schmelze)
physikalisch/chemisch
physikalisch
Lösen von Zucker in Wasser
Erhitzen von Zucker
(bis zum Braun- bzw. Schwarzwerden)
Erhitzen von Schwefel
(bis zum Braunwerden)
physikalisch
chemisch
Bildung eines Amalgam
(Lösen eines Metalls in Quecksilber)
chemisch/physikalisch
Schmelzen von Kerzenwachs
Brennen einer Kerze
physikalisch
chemisch
Farbveränderung eines Indikators in
Anwesenheit z.B. einer Säure
chemisch
Grenzfall
physikalisch
Grenzfall
Herstellen von Bronze (Schmelzen
von Cupfer und Zinn)
Bräunung von Fleisch beim Anbraten
chemisch
Farbigwerden der Blätter im Herbst
chemisch
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 16 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.1. Teilchen- und Stoß-Theorie der chemischen Reaktion
Die Entwicklung der Vorstellungen über das Wesen und den Ablauf von chemischen Reaktionen geht bis ins Mittelalter zurück.
5.1.1. die Stoß-Theorie
auch Kollisions-Hypothese
zumindestens bei Reaktionen mit zwei Stoffen, war schnell klar, dass es einen Kontakt der
beiden geben muss, damit die Reaktion vonstatten gehen kann
Ausgangspunkt unserer Betrachtungen sind Stoffe, in denen sich die Teilchen relativ frei bewegen können. Dies trifft für Flüssigkeiten und Gase zu. Für die ersten Betrachtungen der
Stoß-Theorie reicht es auch aus, wenn nur die Teilchen eines Stoffes frei beweglich ist. Der
andere (Fest-)Stoff kann dann von den beweglichen Teilchen durch deren Eigenbewegung
erreicht werden. Reine Feststoff-Reaktionen sind sehr selten und können erst einmal als
Sonderfall betrachtet werden.
In Flüssigkeiten oder Gasen bewegen sich die Teilchen aufgrund der BROWNschen Molekular-Bewegung (Wärme-Bewegung der Teilchen,  2.2. Teilchen-Bewegung) mehr oder weniger zufällig im Raum.
monomolekulare Ausgangsstoff-Stuation
Auch wenn es auf den ersten Blick nicht so scheint, die Reaktionen, welche nur von einem Teilchen ausgehen, benötigen ebenfalls TeilchenKontakte. Dies wird uns aber erst klar, wenn wir auch etwas über die
notwendige Energie (Aktivierungs-Energie) für eine Reaktion wissen.
Davon "weiss" aber die ursprüngliche Stoß-Theorie noch nichts. Deshalb
ignorieren wir die Stoß-Situation in monmolekularen Fall einfach erst
einmal.
Praktisch benötigen die Teilchen eine bestimmte Energie, damit sie reagieren (zerfallen) können. Diese erhalten
sich durch Stöße von anderen.
bimolekulare Ausgangsstoff-Situation
Die Situation, dass sich die Teilchen von zwei reagierenden Stoffen treffen, ist quasi der Standard-Fall in der Chemie. Um zu reagieren, müssen
sich die beiden reagierenden Teilchen direkt treffen. Wie der Zusammenprall vonstatten geht ist nicht wirklich wichtig. Vielmehr spielt die Energie
des Zusammenstoßes eine Rolle. Aber das gehört hier noch nicht her.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 17 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
trimolekulare Reaktionen
Theoretisch kann man sich einen Zusammenstoß der Teilchen von drei
verschiedenen Stoffen natürlich genauso gut vorstellen, wie den von
zwei. In der Realität kommt eine solche Situation schon sehr selten vor.
Bei der genauen Untersuchung von Reaktionen – bei denen scheinbar
drei Teilchen miteinander reagieren haben gezeigt, dass es sich meist
um Reaktionen handelt, bei mehrschrittig ablaufen. D.h. zuerst reagieren
zwei Teilchen miteinander und dann reagiert das (Zwischen-)Produkt mit
dem dritten. Also sind es z.B. zwei bimolekulare Reaktionen hintereinander.
Wahrscheinlichkeit von Stößen in Abhängigkeit von der Teilchen-Anzahl
Unsere ersten klassifizierenden Betrachtungen gingen noch von idyllischen Situationen aus.
Die betreffenden Teilchen treffen sich einfach – und gut. Aber so einfach ist es gar nicht.
Wir schauen uns in der Folge nur den häufigsten Fall, eine chemische Reaktion zwischen
zwei verschiedenen Stoffen an. Die möglichen Zusammenstöße unterscheiden sich auch
hinsichtlich der Reaktions-Partner. Zwischen Teilchen der gleichen Art kommt es zu uneffektiven Stößen, da diese nicht miteinander reagieren können. Die Teilchen verschiedener Art
können effektive Stöße vollziehen, d.h. bei ihrem Zusammentreffen könnte es zu einer
chemischen Reaktion kommen.
Teilchen Grün
Teilchen Orange
2
2
3
3
4
4
verschiedene mögliche
Stöße insgesamt
mögliche effektive
Stöße
uneffektive Stöße
6
15
28
4
9
16
2
6
12
verschiedene Stöße
je Teilchen
effektive Stöße
je Teilchen
uneffektive Stöße
je Teilchen
3
5
7
2
3
4
1
2
3
Vernachlässigt man zuerst einmal den verfügbaren Raum und die benötigte Zeit, dann spielt
die Anzahl der Teilchen zumindestens für die Anzahl der möglichen Stoß-Kombinationen eine wichtige Rolle. Die Zahlen der effektiven und der uneffektiven Stöße je Teilchen steigen
linear mit der Teilchen-Anzahl. Der um ein Teilchen kleine Anzahl uneffektiver Stöße spielt
nachher bei x-Millionen Teilchen in einem Reaktions-Gefäß keine Rolle mehr.
Interessant wird das Ganze, wenn man von ungleichmäßigen Teilchen-Zahlen ausgeht.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 18 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Teilchen Grün
Teilchen Orange
2
2
4
2
6
2
verschiedene mögliche
Stöße insgesamt
mögliche effektive
Stöße
uneffektive Stöße
6
15
28
4
8
12
2
7
16
grün: 3 orange: 3
grün: 5 orange: 5
grün: 7 orange: 7
grün: 2 orange: 2
(=4)
grün: 1 orange: 1
(=2)
grün: 2 orange: 4
(=6)
grün: 3 orange: 1
(=4)
grün: 2 orange: 5
(=7)
grün: 5 orange: 1
(=6)
verschiedene Stöße
je Teilchen
effektive Stöße
je Teilchen
uneffektive Stöße
je Teilchen
Zwar steigen die effektiven und uneffektiven Stöße auch mit der Anzahl der variierten Teilchen, aber es kommt nicht mehr zu einem linearen Zusammenhang. Trotzdem wird der ungleichmäßige Einsatz der Stoffe – gerade im technischen Bereich – häufig verwendet. Man
nimmt einfach den billigeren Stoff und setzt ihn verstärkt ein, dann erhält man auch eine verstärkte Reaktion. Zwar nicht so stark, wie man es bei einer gleichmäßigen Steigerung beider
Teilchen-Arten erwarten könnte, aber in der Produktion spielen die Kosten oft eine sehr große Rolle.
Aus der praktischen Erfahrung weiss man, dass nicht alle effektiven Stöße zu einer chemischen Reaktion führen. Diesen Sachverhalt können wir mit der Stoß-Theorie nicht weiter klären.
Wahrscheinlichkeit von Stößen in Abhängigkeit vom verfügbaren Raum
Eben haben wir den verfügbaren Raum und die benötigte Zeit einfach ausgeklammert. Das
können wir natürlich nicht ewig machen. In den nächsten Variationen verwenden wir das
gleiche Volumen – hier ersatzweise die gleiche Fläche – und lassen die Teilchen auch nur
noch die gleiche Zeit miteinander interagieren.
2A + 2B
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
4A + 4B
6A + 6B
- 19 -
8A + 8B
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
10 A + 10 B
12 A + 12 B
14 A + 14 B
16 A + 16 B
Schon beim Betrachten der Abbildungen wird deutlich, dass sich die Chancen auf ein Zusammentreffen deutlich erhöhen, je mehr Teilchen im Raum zu finden sind ( Konzentration).
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 20 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.1.2. die Theorie des Übergangszustandes
Ob die effektiven Stöße dann wirklich zu einer Reaktion führen, hängt auch von der verfügbaren Energie der Teilchen ab. Haben die Teilchen z.B. zusammen nur eine sehr geringe
Energie, werden sie nicht reagieren, sondern sich wieder voneinander abstoßen (wie z.B.
Billardbälle). Haben sie dagegen die notwendige Energie, dann wird es zur Umwandlung
kommen. Diese Sachverhalte versucht die Theorie des Übergangszustandes (EYRINGTheorie, Transition State Theorie (TST)) zu erklären.
Wir gehen dabei wieder von einer allgemeinen chemischen Reaktion aus, die nach einem
bimolekularen Muster abläuft:
A + B
C + D
A und B müssen sich zuerst einmal treffen (Stoß-Theorie), bei ausreichendem Energie-Inhalt
bilden die reagierenden Teilchen so eine Art Zwischen-Gebilde (Übergangs-Objekt bzw. Teilchen) diese Zwischen-Objekte befinden sich im sogenannten Übergangszustand
das Zwischen-Teilchen befindet sich in einem sehr Energie-reichen Zustand. Diesen kennzeichnen wir durch ein kleines Sternchen im Exponenten. In einigen Schriftwerken wird auch eine
Raute (#) statt dem Sternchen benutzt.
A + B
AB*
aus diesem Zustand heraus gibt es zwei mögliche Auswege;
1. der Komplex bildet sich zu C und D um (reagiert also)
oder
2. der Komplex zerfällt wieder in die beiden Ausgangsstoffe A und B ohne zu reagieren
A + B
AB*
C + D
zusammengefasst ergibt das Formel-Bild:
A + B
AB*
C + D
Die Existenz des Übergangszustandes ist extrem kurzweilig. Erst in jüngster Zeit konnte man
durch Spezial-Methoden (Foto's mit RÖNTGEN- und Laser-Blitzen) den Übergangszustand
nachweisen
aus heutiger Sicht ist auch immer die entgegengesetzte Reaktion möglich, was dann als
chemisches Gleichungs-Konstrukt so aussehen würde
C + D
CD*
A + B
Mit der Annahme das AB* und CD* praktisch sowieso nur sehr kurzlebig sind und sie gewissermaßen eine ähnlichen bis gleichen Zustand darstellen; wahrscheinlich sind sie sogar
identisch
AB* = CD* = X*
kann man dann schreiben
A + B
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
X*
C + D
- 21 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
oder verkürzt:
A + B
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
C + D
- 22 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.1.3. der typische Reaktions-Ablauf
(Kombination der Stoß-Theorie mit der Theorie des Übergangs-Zustandes)
Für erste Betrachtungen gehen wir hinsichtlich des Ablaufes einer chemischen Reaktion von
der einfachen Stoß-Theorie aus. Zum Zeitpunkt des Zusammenstoßes erinnern wir uns dann
an die Erkenntnisse aus der Theorie des Übergangszustandes und lassen den EnergieInhalt der Teilchen mit einfließen.
der einfache Zusammenstoß
Bedingt durch ihre innere Energie bewegen sich Teilchen und stoßen
konsequenterweise irgendwann man zusammen. Zur vereinfachten Betrachtung soll nur ein Teilchen (ein Sauerstoff-Molekül) eine Bewegung
ausführen, das andere beteiligte Teilchen (ein Cohlenstoff-Atom) liegt
an / auf einer Oberfläche.
Bewegt sich das Sauerstoff-Molekül langsam – hat es also nur einen
kleinen Energie-Betrag, dann führt der Zusammenstoß mit dem C-Atom
zu keiner Veränderung. Das O2-Molekül wird – quasi wie ein Gummiball
– einfach weggestoßen. Normalerweise kommt es auf Grund von Reibungen und Energie-Übertragungen zum Energie-Verlust beim zurückgestoßenen Teilchen.
Beide Teilchen bleiben unverändert. Es entsteht kein neuer Stoff. Somit
hat auch keine chemische Reaktion stattgefunden.
Da bei dem Zusammenstoß praktisch nichts chemisches passiert,
sprechen wir von einem uneffektiven Zusammenstoß.
der effektive Zusammenstoß
Anders verhält es sich, wenn der Zusammenstoff mit mehr Energie
verbunden ist. In unserem Beispiel bewegt sich das Sauerstoff-Molekül
dabei schneller. Der Zusammenstoß mit dem Cohlenstoff-Atom ist mit
soviel Energie verbunden, dass z.B. die Bindung im Sauerstoff-Molekül
aufgebrochen und die Elektronen der Sauerstoff- und des CohlenstoffAtoms neu anordnen werden. Es entstehen in der Folge neue Bindungen. Wir nennen solche Zusammenstöße dann auch effektiv.
Grundsätzlich kommt es nun zu einer Energie-Abgabe. In welcher
Form die Energie abgegeben wird, ist von diversen Umgebungsbedingungen abhängig. Ob der abgegebene Energie-Betrag größer oder
kleiner als der aufgenommene ist, hängt von den konkreten Stoffen ab.
Im Falle der Reaktion von Cohlenstoff mit Sauerstoff – also einer Oxidation – ist die Energie-Abgabe sogar sehr beachtlich (Verbrennung).
Das gebildete Reaktions-Produkt kann nun ev. mit einem Anteil der
Energie in Bewegung versetzt werden.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 23 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.2. die Thermodynamik chemischer Reaktionen
5.2.1. einfache Thermodynamik chemischer Reaktionen
Die (chemische) Thermodynamik beschäftigt sich mit den energetischen Veränderungen, die
während einer chemischen Reaktion auftreten. Dabei interessieren uns die Energien, die in
den Stoffen drin stecken sowie die Energie-Mengen, die bei Reaktionen aufgenommen oder
abgegeben werden.
Die Thermodynamik ist keine leichte Kost. Schon der Begriff Energie stellt uns vor große
Verständnis-Probleme. Wer hat sie schon mal gesehen oder beobachtet? Wir können lediglich ihre Wirkungen fühlen, beobachten und messen.
Energie ist neben Raum, Zeit und Information einer der zentralen Begriffe in der Physik (Naturwissenschaft). Hier ist es die Größe, die trotz aller Zeit-Abhängigkeiten der Naturgesetze
unverändert bleibt (eine Art Inhaltsgröße).
Definiert wir die Energie heute als abstrakte Größe zur Beschreibung von Veränderungen an
und in Systemen. Energie kann nur umgewandelt werden. Es werden viele verschiedene
Energieformen beschrieben, von denen:





potentielle Energie (Lage-Energie)
kinetische Energie (Bewegungs-Energie)
elektrische Energie
chemische Energie
thermische Energie (Wärme(-Energie))
zu den bedeuteten zählen.
Vereinfacht – und populärer verständlich – wird Energie als das bezeichnet, was es einem
System ermöglicht, Arbeit zu verrichten, Licht auszustrahlen, Wärme abzugeben, magentische Felder aufzubauen usw. usf.
Die diversen Energie-Unterschiede sind die Ursache vieler physikalischen Vorgänge. Es wird
immer ein Ausgleich der Energie-Differenzen (Potentiale, Gradienten) angestrebt.
Unter Normalbedingungen (300 K) ist z.B. die elektrische und die chemische Energie mit einer der höchsten (organisiertesten / geordnetesten) Energieformen. Bei jeder EnergieUmwandlung entsteht immer mehr oder weniger Wärme. Wie wir noch sehen werden, kann
aber die Wärme nicht wieder vollständig in eine andere Energie-Form umgewandelt werden.
Deswegen wird die Wärme auch als eine niedrige Form der Energie betrachtet. Letztendlich
wird nach unendlichen vielen Energie-Umwandlungen nur noch Wärme-Energie über bleiben, die dann völlig gleichmäßig im Universum verteilt ist (Tendenz-Richtung aller EnergieUmwandlungen). Mittlerweile werden auch andere Theorien diskutiert, die nicht vom WärmeTod des Universums ausgehen. Die theoretische Physik hat hier noch ein riesiges Spielfeld.
Als Formelzeichen verwenden wir für die Energie das E (seltener auch: W (Arbeit bzw. Wärme)). Die genormte SI-Einheit ist das JOULE (Zeichen: J; gesprochen: dschuhl) nach dem
Physiker James Prescott JOULE (1818 – 1889). Aus traditionellen Gründen kursieren und
halten sich noch verschiedene andere Einheiten. Den Biologen, Chemikern und Trophologen
liegt dabei besonders die Kalorie sehr nahe.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 24 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Umrechnungen und Namen weiterer Energie-Einheiten:
Zeichen
Nm
Ws
cal
ausgeschrieben
gesprochen
NEWTON
Meter
njutonmeter
WATT
Sekunde
wattsekunde
Umrechnung(en)
Zeichen
1 Nm = 1 J
erg
CALORIE
kalorie
1 cal = 4,187 J
ausgeschrieben
gesprochen
Umrechnung(en)
-6
1 erg = 0,1 *10 J
erg
1 Ws = 1 J
6
1 kWh = 3,6 * 10 J
eV
Elektronen
VOLT
elektronenvolt
1 eV = 1,6 * 10
-19
J
Dass Energie nicht geschaffen oder vernichtet werden kann, haben wir schon gesagt. In der
Physik wird dieser Sachverhalt durch den Energie-Erhaltungs-Satz beschrieben. Ganz anders als sonst üblich ist dieser Satz kein Gesetz. Der Energie-Erhaltungs-Satz (1. Hauptsatz
der Thermodynamik) ist derzeit nicht beweisbar. Er gilt aber als der wichtigste Grundsatz der
Naturwissenschaften. Bis heute ist aber noch kein einziger Verstoß gegen dieses QuasiGesetz beobachtet worden. Nach unserem derzeitigen Erkenntnisstand gilt es auch im gesamten Universum.
In einem Energie-Niveau-Schema
(s.a. Abb. rechts) werden die verschiedenen Energie-Niveaus der
reagierenden Stoffe sowie ev. Zwischen-Schritte / -Situationen dargestellt. Zu beachten ist dabei,
dass ein Energie-Niveau-Schema
niemals bei einer 0-Energie beginnt. Diesen Wert kann ein Stoff /
ein chemisches System niemals
erreichen oder besitzen. (Selbst in
der Physik ist das Erreichen einer 0Energie für einen Stoff etc. nicht möglich.)
Wir können somit auch praktisch
nicht die genaue Energie ermitteln,
die ein Stoff hat. Was aber möglich
ist – und von der Physik zur Perfektion gebracht wurde – ist die
Ermittlung
von
EnergieDifferenzen. Gibt ein Stoff Energie
ab oder nimmt er sie auf, dann
lässt sich das sehr genau feststellen.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Energieniveau-Schema einer einfachen Reaktion
- 25 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Recht intuitiv ist das folgende einfache Modell einer Reaktion. Ein
Sportler hat auf seiner Seite einer
Mauer ein Reservoir an WurfObjekten (Äpfel, Bälle, …). Diese
stellen den umzuwandelnden Stoff
dar. Befinden sich die WurfObjekte auf der anderen Seite der
Mauer, dann sind sie in das Reaktions-Produkt umgewandelt (z.B.
sind die Äpfel jetzt matsch). Die
Höhe der Mauer stellt die Aktivierungs-Energie dar.
Wenn man davon ausgeht, dass
Modell einer einfachen Reaktion
der Werfer sich seine Kräfte gut
einteilt, dann wird er mal das eine
Wurf-Objekt gleich beim ersten Mal
hinüberwerfen. Für andere braucht
es mehrere Anläufe.
Die Spitze der Mauer ist der Scheide-Punkt (Übergangs-Zustand), über den nur die Objekte
mit der notwendigen Bewegungs-Energie kommen. Die schwächer geworfenen Objekte
kommen wieder in den Bereich der Ausgangsstoffe zurück.
Die Differenz der Elektronegativität zwischen den Atomen einer neu zu knüpfenden Bindung
liefert eine ungefähre annähernde Information über die Größe der Bildungs-Energie (Reaktions-Energie). Je größer die Differenz, umso größer ist auch die frei-werdende Energie. Kleine Elektronegativitäts-Differenzen deuten auf kleine Reaktions-Energien hin. Hierbei kommen sowohl Energie-Aufnahmen (endotherme Reaktionen) als auch Energie-Abgaben (exotherme
Reaktionen) in Frage.
Definition(en): Energie
Energie ist die physikalische Größe, die Veränderungen an Objekten (Vergrößern, Verkleinern) oder ihrem Verhalten (Bewegung, …) bewirkt.
Energie ist die physikalische Größe, die für die Verrichtung von Arbeit notwendig ist.
Definition(en): Enthalpie
Die (Reaktions-)Enthalpie (D H) ist die Energie-Menge, die bei einer chemischen Reaktion
anfällt oder gebraucht wird, wenn ausschließlich Wärme-Energie zugeführt oder abgegeben
wird. (Die chemische Reaktion muß so geführt werden, dass andere Energieformen konstant bleiben!)
Es werden je nach Reaktions-Art verschiedene spezielle Enthalpien besprochen (z.B. Bildungs- Enthalpie, Reaktions- Enthalpie, Dissoziations- Enthalpie, Lösungs- Enthalpie, …)
Die Enthalpie ist die Differenz der Wärme-Energie-Inhalte (H) zweier Zustände eines Vorgangs.
H
= H [Reaktionsprodukte] - H [Ausgangsstoffe]
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 26 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): Bildungs-Enthalpie
Die Bildungs-Enthalpie ist die Enthalphie, die bei der Bildung einer Verbindung aus den
Elementen gebraucht oder freigesetzt wird.
(Elemente haben eine Bildungs-Enthalpie von 0 kJ/mol.)
Die Werte sind für Standard-Bedingungen tabelliert!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 27 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.2.2. weiterführende Thermodynamik chemischer Reaktionen
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 28 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): Entropie
Entropie ist die physikalische (thermodynamische) Größe, die für beobachteten MakroZustand Aussagen über die möglichen Mikro-Zustände macht.
Die Entropie ist das Maß für die Unordnung.
Definition(en): freie Energie
Die freie Energie ist der Teil der Energie, die bei Energie-Umwandlungen in eine andere
Form umgewandelt werden kann.
Definition(en): Information
Information ist eine der Entropie entgegengesetzte physikalische / thermodynamische Größe.
Information ist Unwissenheit beim Empfänger.
Definition(en): exergonische Reaktion
Nimmt im Laufe einer Reaktion die freie Enthapie ab, dann heißt die Reaktion exergonisch.
Eine exergonische Reaktion ist durch die Abnahme der freien Enthalpie gekennzeichnet.
Definition(en): endergonische Reaktion
Nimmt im Laufe einer Reaktion die freie Enthapie zu, dann heißt die Reaktion endergonisch.
Eine endergonische Reaktion ist durch die Zunahme der freien Enthalpie gekennzeichnet.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 29 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
alternative Formulierungen der thermodynamischen Hauptsätze:
HS
0.
1.
2.
3.
Formulierung
Stehen zwei Systeme jeweils mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht,
so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.
Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant.
Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar.
Der absolute Nullpunkt der Temperatur ist unerreichbar.
Q: de.wikipedia.org
HS
0.
1.
2.
3.
Formulierung
Der Energieinhalt der Welt ist konstant.
Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.
Q: Rudolf CLAUSIUS
HS
0.
1.
Formulierung
Die verrichtete Arbeit ist gleich der Differenz aus der zugeführten und der abgebenen
Wärme-Energie.
2.
3.
Q:
HS
0.
1.
2.
Formulierung

Q  Qab T1  T2
W
 zu

Qzu
Qzu
T1
Energie lässt sich nur teilweise in Nicht-Wärme-Energie umwandeln. Es entsteht immer Abwärme bei der Umwandlung. Der Nutzungsgrad  einer Wärme-Maschine ist
immer kleiner 1.
3.
Q:
HS
0.
1.
Formulierung
Es kann kein Perpetuum mobile (1. Art) geben, dass mehr Energie bereitstellt als ihm
(insgesamt) Energie zugeführt wurde.
2.
3.
Q:
interessante Links:
zum Thema und Begriff "Energie": (Prof. LESCH in der Sendung "alpha-Centauri" (BR ))
http://www.br-online.de/br-alpha/alpha-centauri/alpha-centauri-energie-2002-ID1208353667920.xml
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 30 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
für die gehobene Anspruchsebene:
x. MAXWELL ersann folgendes Modell, das im Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik steht. In einem geteilten Raum befindet sich in der
Trennwand ein Fenster, dass von einem Dämon betätigt wird. Immer wenn
ein schnelles Teilchen ankommt, öffnet er das Fenster und lässt das Teilchen auf die andere Seite. Ähnlich, aber mit den langsamen Teilchen verfährt er, wenn sie von der anderen Seite kommen. Somit sammeln sich auf
der einen Seite die langsamen Teilchen und auf der anderen die schnelleren.
Thermodynamisch gesehen steigt die Temperatur auf der einen Seite.
Wo liegt der Fehler im MAXWELLschen Dämonen-Modell? Begründen Sie
Ihre Meinung!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 31 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.3. die Kinetik chemischer Reaktionen
5.3.1. einfache Kinetik chemischer Reaktionen
offensichtlich gibt es verschieden schnelle chemische Reaktionen
als Einteilungs-Kriterium wird die Halbwertszeit ½ benutzt (Erklärung zu der Größe folgt!)
sehr schnell sind (½0,000.000.000.1 – 1 s):
 Detonationen (Sprengstoff-Reaktionen)
 Fällungs-Reaktionen (½0,000.1 s)
 Neutralisationen (½0,000.000.1 – 0,000.000.000.1 s)
 Bildung von Wasserstoff-Brücken
schnelle Reaktionen sind (½1 s – 1 min):
 biochemische Reaktionen (½1 s)
 Redox-Reaktionen
als mäßig schnell betrachtet man (½1 – 100 min):
 technische Reaktionen (mit Katalysatoren und unter speziellen Bedingungen)
(½0,01 – 1 min)
mäßig langsam laufen z.B. ab (½1 -100 h):
 Hydrolyse von Fetten und Estern (½1 h)

langsam laufen z.B. ab (½1 – 100 d):
 Verderb von Lebensmittel
sehr langsam laufen z.B. ab (½1 – 1.000 a):
 Korrosion / Rosten von Metallen

extrem langsam (½10.000 – 1.000.000 a):
 geochemische Vorgänge (laufen in 10.000 bis 1.000.000 Jahren ab)
gewissermaßen gar nicht reagieren (½1.000.000 – 1.000.000.000 a):
 Wasserstoff und Iod (benötigen ein Zehntel des Alters des Universums)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 32 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.3.1. die Reaktions-Geschwindigkeit
wie wir bei der Stoß-Theorie schon gesehen haben, ist der Verlauf von chemischen Reaktionen von der Anzahl der verfügbaren Teilchen und deren Verteilung im Raum abhängig
als verbindende Größe von Teilchen-Anzahl und Raum hat sich die Konzentration c eingebürgert
c .. Konzentration [mol/l]
23
n .. Stoffmenge [mol] (1 mol = 6,022*10 Teilchen)
V .. Volumen [l]
Reaktionsgeschwindigkeit RG oder v, wegen Verwechslungsgefahr mit Volumen V hier mit
RG abgekürzt und als Formelzeichen verwendet
in Anlehnung an die Geschwindigkeit aus der Physik (
, Geschwindigkeit ist der Quotient aus
geschafftem Weg innerhalb einer bestimmten Zeit) ist die Reaktionsgeschwindigkeit durch:
RG .. Reaktionsgeschwindigkeit
c .. Konzentrationsänderung
t .. Zeitdifferenz (abgelaufene Zeit, Zeitänderung)
definiert, was in dem Sinne auch einem Schaffen / dem Umsatz an Stoff innerhalb einer bestimmten Zeit entspricht.
Alternativ kann man statt der Konzentration auch die Teilchenzahl einsetzen. Dabei darf aber
keine Volumen-Veränderung bei der Reaktion eintreten.
bei V=const.
RG .. Reaktionsgeschwindigkeit
n .. Änderung der Teilchenzahl
t .. Zeitdifferenz (abgelaufene Zeit, Zeitänderung)
V .. Volumen
Hat man es mit einer Reaktion zu tun, die z.B. ein Gas bildet bzw. aus dem Reaktions-Raum
entzieht, dann kann auch mit Volumenveränderungen bei der Ermittlung der ReaktionsGeschwindigkeit gearbeitet werden.
RG .. Reaktionsgeschwindigkeit
V .. Volumenänderung
t .. Zeitdifferenz (abgelaufene Zeit, Zeitänderung)
Mit diesen Formeln lässt sich die Durchschnitts-Geschwindigkeit für einen Zeitraum berechnen.
Graphisch entspricht die
DurchschnittsGeschwindigkeit der Steigung der Gerade (Sekante bezüglich der Kurve)
zwischen den beiden
Messpunkten.
Mathematisch ist die Berechnung von Geraden –
ihres Anstieges und des
Schnittpunktes auf der yAchse - ein relativ einfaches Verfahren.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 33 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
RG .. Reaktionsgeschwindigkeit
cx .. Konzentration zum Zeitpunkt x / am Meßpunkt x
tx .. Zeitpunkt x / Meßzeitpunkt x
Reaktionsgeschwindigkeit für den Umsatz der Ausgangsstoffe besitzt negatives Vorzeichen
(da c1 größer als c2 ist, ergibt sich negative Differenz)
Betrachtung für die Reaktionsprodukte
Bei der Betrachtung der Reaktions-Geschwindigkeit aus der Sicht der Reaktionsprodukte
muß aber beachtet werden, dass jetzt eine Zunahme der Konzentration auftritt und somit die
Reaktionsgeschwindigkeit einen positiven Wert erhält.
Definition(en): Reaktions-Geschwindigkeit (Durchschnitts-Geschwindigkeit)
Die Durchschnitts-Geschwindigkeit einer Reaktion beschreibt den gemittelten Stoff-Umsatz
innerhalb eines bestimmten Zeit-Abschnittes.
von der Durchschnitts-Geschwindigkeit zur Momentan-Geschwindigkeit
Durch Verkleinern der Zeitabschnitte gelangen wir zur theoretischen Situation, dass die Zeitdifferenz gleich Null wird:
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 34 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Dadurch wird aus der Sekante eine Tangente.
Praktisch bedeutet dieses,
dass wir statt der Durchschnitts-Geschwindigkeit
nun
eine
MomentanGeschwindigkeit
genau
für den Berechnungszeitpunkt erhalten.
Die Momentan-Geschwindigkeit lässt sich nicht
messen – nur berechnen.
Unter Anwendung der
Regeln und Verfahren der
Differential-Rechnung
kommen wir zur Berechnungs-Formel:
Reaktions-Geschwindigkeits-Konstante k
Durch Experimente lässt sich feststellen, von welchen Faktoren die ReaktionsGeschwindigkeit abhängig ist. Neben den Umgebungs-Bedingungen, wie Temperatur,
Druck, Licht usw. interessieren vor allem die inneren System-Zusammenhänge. Aus den
oben besprochenen Sachverhalten können wir schon voraussagen, dass die eine oder andere chemische Reaktion auch von der Konzentration der Stoffe abhängig sein wird.
Bei unserer Beispiel-Reaktion:
A + B
C + D
wird man feststellen, dass die Reaktions-Geschwindigkeit sowohl von der Konzentration des
Stoffes A, wie auch von der des Stoffes B abhängig ist.
od. auch
od. auch
Die genaue Untersuchung ergibt auch die gemeinsame Abhängig von beiden Konzentrationen:
od. auch
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 35 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Wie aus der Physik bekannt, suchen wir nun einen Proportionalitäts-Faktor, der die beiden
Seiten des Zusammenhanges zu einer Gleichung verbindet:
Dieser Faktor erhält traditionell zuerst einmal die Bezeichnung k und wird ev. durch eine
Stoff-spezifische bzw. Reaktions-spezifische Größe ersetzt.
Eine gemeinsame Abhängigkeit von den Teilchenzahlen von A und B können wir schon bei
Benutzen der Erkenntnisse aus der Stoß-Theorie ( 5.1.1. die Stoß-Theorie) schließen. Dort
haben wir die gegenseitige Beeinflussung mit einfachen Zahlenspielen darstellen können.
Der Faktor k ist mindestens abhängig vom Anteil geeigneter (z.B. heteromolekularer Zusammenstöße) und vom Anteil effektiver Stöße (Überschreitung der Aktivierungs-Energie).
Die Werte für k lassen sich tabellarisch erfassen. Dazu hat man sich bei den Umgebungsbedingungen hinsichtlich der Temperatur auf 25 °C (298 K) und einem (Luft-)Druck von 1 at
(1013,25 hPa = 1013 mmHg = 760 Torr = 760 mmWS = 1 bar) festgelegt. Man nennt diese
deshalb auch Standard-Bedingungen. Abweichende Werte müssen extra angegeben werden. Das ist z.B. für Reaktionen notwendig, die z.B. bei Zimmer-Temperatur praktisch gar
nicht ablaufen.
Definition(en): Reaktions-Geschwindigkeit (Momentan-Geschwindigkeit)
Die Momentan-Geschwindigkeit einer Reaktion ist der Stoffumsatz zu / in einem bestimmten
Zeitpunkt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 36 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Methode der Anfangsgeschwindigkeit
Da die Verfolgung von Konzentrationen oder Stoffmengen bzw. Massen während einer
chemischen Reaktion problematisch ist – man würde einfach zu stark und zu häufig in das
Geschehen eingreifen – versucht man die Reaktion in ihrem Anfangs-Stadium zu beobachten.
Das hat den Vorteil, dass man vor dem Reaktionsablauf alle Stoff-Meßgrößen (Stoffmengen
usw.) in Ruhe bestimmen kann. Günstig ist auch das Fehlen von Reaktions-Produkten, die
schon durch ihre Anwesenheit (aber auch durch ev. Rück-Reaktionen) den ReaktionsVerlauf behindern würden.
Dann läßt man die Reaktion ablaufen. Nach einer bestimmten
Zeit unterbricht man dann die
Reaktion und vermisst neu. Da
zum Beginn einer Reaktion die
Veränderungen
besonders
deutlich sind, hat man hier auch
beste Meßbedingungen. Ein
weiterer Vorteil der fast gleichmäßige (lineare) Verlauf der
Reaktions-Geschwindigkeit in
der Anfangsphase der Reaktion. Zumindestens kann man
von einem linearen Verlauf
ausgehen, muss aber einen
gewissen Fehler akzeptieren.
Dadurch lassen sich einfachste
mathematische Methoden zur
Auswertung heranziehen.
Geht man von unterschiedlichen Ausgangs-Konzentrationen aus, dann kann man nach
und nach die Meßpunkte für die
Gesamt-Reaktion
ergänzen.
Statt also die Reaktion zu unterbrechen oder laufend zu verfolgen, startet man die Reaktion
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 37 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
für "jede" Konzentration einfach neu.
Durch Kombination aller Meß- und Berechnungs-Werte kommt man dann zu einem Diagramm, dass schon sehr exakt den gesamten Reaktions-Verlauf darstellt.
Halbwert-Zeit t½ bzw. ½
Definition(en): Halbwert-Zeit
Die Halbwertzeit ist die Zeit-Einheit, in der sich die Hälfte der Teilchen der Ausgangs-Stoffe
umgesetzt hat.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 38 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.3.1.1. Reaktionsordnung
Wenn man bestimmte chemische Reaktionen in ihren Gleichungen betrachtet und auf sie die
Stoß-Theorie anwendet, dann müssen scheinbar eine große Zahl von Teilchen gleichzeitig
miteinander zusammentreffen, um die Reaktion ablaufen zu lassen. Dies wird auch durch die
Berechnungen der Reaktions-Geschwindigkeit und der Geschwindigkeits-Konstanten suggeriert. Da gehen die Konzentrationen zur x-ten Potenz ein, wenn der Stoff mit mehr als einem
Mol in der Gleichung steht.
Nehmen wir kurz das Beispiel der Ammoniak-Synthese:
N2 + 3 H2
2 NH3
Es schaut so aus, als müsste sich ein Stickstoff-Molekül mit genau drei WasserstoffMolekülen treffen, um zwei Ammoniak-Moleküle zu bilden. Die Reaktion müsste entsprechend von allen Konzentrationen der gleichzeitig "zusammenstoßenden" Stoffe abhängig
sein. Die Reaktions-Geschwindigkeit ergäbe sich also nach der Formel:
Praktisch stellen sich aber ganz andere Verhältnisse heraus. Da liegt man mit der Formel:
weitaus besser. Scheinbar reichen schon die Kontakte von zwei Teilchen (Stickstoff und
Wasserstoff) aus, um die Reaktion kinetisch zu beschreiben.
Der Widerspruch lässt sich klären, wenn man sich vergegenwärtigt, dass Reaktionen im Detail ganz anders ablaufen. Zuerst treffen sich die ersten Teilchen, reagieren zu einem Zwischen-Produkt, was dann mit dem nächsten Teilchen reagiert. Dieses Teilchen könnte das
Reaktions-Produkt sein oder wieder nur ein Zwischen-Produkt, was noch weiter reagieren
muss.
scheinbar komplizierte Reaktionen bestehen immer aus kleineren Teil-Reaktionen (Reaktions-Schritte, Elementar-Reaktionen)
nur einige (wenige) dieser Teilschritte bestimmen dann wirklich über die Geschwindigkeit der
Gesamt-Reaktion, und nur von den Konzentrationen der an diesen Teil-Reaktionen beteiligten Stoffe ist die Gesamt-Geschwindigkeit der Reaktion insgesamt wirklich abhängig, die anderen Teil-Reaktionen laufen meist nicht Zeit-kritisch ab.
z.B. wenn eine Reaktion unter Beteiligung von Wasser verläuft, dann ist / müsste diese Reaktion von der Menge des Wassers abhängig sein; spielt sich die Reaktion real in einer
wässrigen Lösung ab, dann ist Wasser praktisch immer vorhanden; seine Menge spielt dann
keine Rolle mehr
Definition(en): Reaktions-Ordnung
Die Reaktions-Ordnung beschreibt die Anzahl von Teilchen, die für den Ablauf einer Reaktion zusammenkommen müssen.
Definition(en): Molekularität einer Reaktion
Die Reaktions-Ordnung beschreibt die Anzahl von Teilchen / Molekülen, die für den Ablauf
des Geschwindigkeits-bestimmenden Schrittes einer Reaktion notwendig sind.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 39 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Reak. 0. Ord.
Reak. 1. Ord.
Reak. 2. Ord.
Reak. 3. Ord.
Reaktionsgeschwindigkeit
Konzentration
Reaktion 0. Ordnung
z.B. photochemische Reaktionen
A
B
Reaktions-Geschwindigkeit ist nicht von Konzentration des (Ausgangs-)Stoffes abhängig.
Reaktion 1. Ordnung
katalytische und radioaktive Zerfalls-Prozesse
monomolekulare Reaktion
A
A
B
B + C
Reaktions-Geschwindigkeit ist von Konzentration des Ausgangs-Stoffes abhängig.
Reaktion 2. Ordnung
häufigster Fall in der Chemie
bimolekularere Reaktion
A + B
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
C
- 40 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
A + B
A + B
C + D
C + D + E
od. nur für A:
bzw. nur für B:
Reaktions-Geschwindigkeit ist von den Konzentrationen beider Ausgangs-Stoffe abhängig.
Reaktion 3. Ordnung
trimolekulare Reaktion
sehr selten
A
A
A
A
+
+
+
+
B
B
B
B
+
+
+
+
C
C
C
C
D
D + E
D + E + F
D + E + F + G
od.
bzw. für B:.
aber auch möglich
od.
od.
od.
Reaktions-Geschwindigkeit ist von den Konzentrationen aller drei Ausgangs-Stoffe abhängig.
Reaktionen höherer Ordnung
praktisch kaum möglich, meist verstecken sich dahinter mehrschrittige Reaktionen, die u.U.
noch nicht zerlegbar sind bzw. zeitlich so "ungünstig" ablaufen, dass sie schlecht in ihren Abläufen nachvollziehbar bzw. beobachtbar sind
z.B. bei der Kombination einer sehr langsamen mit einer sehr schnellen Teil-Reaktion
wenn die langsame Reaktion dann man wirklich abgelaufen ist, schließt sich unmittelbar sofort die schnelle an, das Zwischen-Produkt der sehr langsamen Reaktion ist nicht erfassbar,
weil es von der sehr schnellen gleich weiter umgesetzt wird
Gleichgewichte
mit Ausnahme photochemischer und radioaktiver Vorgänge sind die meisten chemischen
Reaktionen umkehrbar
es kann aber sein, dass die Rück-Reaktion so selten oder so energetisch ungünstig abläuft,
dass diese dann nicht mehr beobachtbar ist; auch sterische Sachverhalte können gegen ei-
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 41 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
ne Rück-Reaktion sprechen, z.B. wenn ein Reaktions-Produkt aus dem Reaktions-Gefäß
entweichen kann (z.B. ein gebildetes Gas), dann steht es u.U. nicht mehr für die RückReaktion zur Verfügung
H2CO3
H2O + CO2
in der geschlossen Selters-Flasche
H2CO3
H2O + CO2 
bei einer geöffneten Flasche; CO2 kann
entweichen und steht nicht mehr für die
Rückreaktion zur Verfügung
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 42 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.3.1.2. Abhängigkeit der Reaktions-Geschwindigkeit gerichteter Reaktionen
Gerichtete Reaktion – also Reaktionen ohne Rück-Reaktion – sind ein theoretisches Gebilde. Bis auf wenige Reaktion (z.B. photo-chemische Vorgänge) sind alle Reaktionen umkehrbar, d.h. es gibt auch eine Rück-Reaktion. In vielen Fällen spielt die Rück-Reaktion aber einfach keine Rolle – es scheint so, als wäre die Reaktion gerichtet. In den folgenden Betrachtungen gehen wir zuerst einmal von gerichteten Reaktionen aus, um uns die Grundzusammenhänge zu gegenwärtigen. Mit diesen Erkenntnisse können wir uns dann an die chemischen Gleichgewichte machen ( 5.3.2. das chemische Gleichgewicht bzw. 5.3.2.x. Abhängigkeit und Beeinflussung des chemischen Gleichgewichtes).
Konzentrations-Abhängigkeit
Zum Klären des Einflusses der Konzentration auf den Reaktions-Ablauf haben wir schon
verschiedene Aspekte kennengelernt. Die Stoß-Theorie hat uns gezeigt, dass die TeilchenAnzahl und das Verhältnis der Teilchen zueinander die Häufigkeit der effektiven Stöße beeinflusst. Diese Häufigkeit hat einen direkten Einfluss auf die Reaktions-Geschwindigkeit.
Deren Berechnung wiederum stellt ja auch einen proportionalen Zusammenhang von effektiven Stoff-Kontakten in einer Zeit-Einheit her:
Aber auch ohne tiefgreifende mathematische Berechnungen kann man sich aus den schon
beschriebenen Zusammenhängen und beobachteten Phänomenen ein gutes Regelwerk zusammenstellen.
A
+
B
C
+
D
Gibt man zu einer chemischen Reaktion mehr Ausgangsstoffe, dann werden sich auch mehr
Reaktionsprodukte bilden. Es können sich einfach mehr Teilchen treffen und dann auch umsetzen. Vor unseren Betrachtungen in der Stoß-Theorie wissen wir auch, dass auch schon
ausreicht, wenn man nur einen Stoff in der Konzentration / der Menge erhöht. Auch hierdurch steigt die Chance auf mehr Zusammenstöße mit anderen Teilchen und damit wiederum der Stoffumsatz.
Wirkung
Erhöhung der Konzentration
C
und

A

+
und /
oder
B
C
+
D

D

A
B
Zufuhr / Erhöhung der Konzentration
Ursache
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 43 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Auch über die Entnahme von C und / oder D lässt sich die Reaktions-Geschwindigkeit zugunsten des Umsatzes von A und B erhöhen. Dies passiert indirekt dadurch, dass die gebildeten Teilchen von C und D nicht behindernd zwischen den Teilchen der Ausgangsstoffe
herumliegen. Die Ausgangsstoffe können sich praktisch ungehindert treffen.
Wirkung
Erhöhung der Ausbeute
C

A
+

und
B
C

A
B
Erhöhung der relativen Konzentration
D
und
+


D
und

C
D
Verringerung der Konzentration // Entnahme
Folge
Ursache
Während die Zugabe von Ausgangsstoffen (bei ausreichend großen Reaktions-Gefäßen) kein praktisches Problem darstellt, muss man bei der Entnahme der Reaktionsprodukte zumeist irgendwelche Abtrenn-Verfahren anwenden. In vielen Reaktionen hilft die Natur der Sache
schon ausreichend mit. Man denke an Reaktionen, bei denen sich (aus Flüssigkeiten und / oder
Feststoffen) Gase bilden. Andere günstige Reaktionen laufen unter dem Absetzen eines Stoffes (Roheisen-Herstellung, Fällungs-Reaktionen) ab. Die technische Chemie hat hier die
verschiedensten Verfahren entwickelt, so dass kaum ein Stoff-Gemisch nicht effektiv getrennt werden kann. Selbst Gemische, die der Inbegriff von Nicht-Trennbarkeit sind (z.B. azeotrope Gemische, wie Ethanol und Wasser) lassen sich dann doch durch einen cleveren Trick auseinanderbringen (Zusatz eines Schlepp-Mittels).
Temperatur-Abhängigkeit
VAN'T-HOFFsche Regel / RGT-Regel (ReaktionsGeschwindigkeits-Temperatur-Regel)
Steigert man die Temperatur um 10 K (früher: 10 grd), dann erhöht sich die ReaktionsGeschwindigkeit zumeist um das zwei- bis dreifache. In seltenen Fällen kann die Geschwindigkeit bis zum zehnfachen steigen.
alternativ: Steigt die Temperatur einer Reaktion um 10 K, dann drittelt bis halbiert sich zumeist die Reaktionszeit. In seltenen Fällen kann die Reaktionszeit auch nur noch ein Zehntel
betragen.
Q10-Wert: Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperaturveränderung um 10 K
 RGT  T
Q10  
 RGT
10K
 T


Definition(en): Reaktions-Geschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel)
VAN'T HOFFsche Regel
Erhöht man die Temperatur um 10 K (10 grd), dann erhöht sich die ReaktionsGeschwindigkeit einer Reaktion (durchschnittlich) um das Zwei- bis Drei-fache. Selten kann die
Geschwindigkeits-Erhöhung auch bis zum Zehn-fachen betragen.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 44 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Mit Hilfe eines Energie-Schemas
können wir den Reaktions-fördernden
Effekt einer Temperatur-Erhöhung
auch gut erklären.
Um die Temperatur-Erhöhung zu erreichen, muss den Ausgangsstoffen
Energie zugeführt worden sein. Dies
wird in einem erhöhten EnergieNiveau sichtbar. Das ursprüngliche
Energie-Niveau ist für StandardBedingungen (T=25 °C = 298 K;
p=101,325 kPa = 1 atm) festgelegt.
Durch den höheren Energie-Level
nach der Temperatur-Erhöhung haben nun mehr Teilchen die notwendige Aktivierungs-Energie (s.a. MAXWELL-BOLTZMANN-Diagramm

Wärme-Bewegung
der
Teilchen
(BROWNsche Molekular-Bewegung)),
um die Reaktion auszuführen. Mit anderen Worten für Cohlenstoff und
Sauerstoff ist es nun leichter über den
Berg zu kommen als vorher.
Mehr Teilchen, die reagieren können,
bedeuten eine größere ReaktionsGeschwindigkeit für sonst vergleichbare Bedingungen.
2,5
TeilchenAnzahl [%]
T=298K
T=398K
2
AktivierungsEnergie einer
Reaktion
1,5
1
0,5
0
0
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
100
200
300
400
- 45 -
500
600 700 800 900 1000
Teilchen-Geschwindigkeit [m/s]
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Druck-Abhängigkeit
praktisch sind nur Reaktionen, die mit Volumen-Veränderungen verbunden sind, auch für die
Einflussnahme durch Druck empfindlich
dies trifft immer dann zu, wenn Gase gebildet oder aus Ausgangsstoff(e) verbraucht werden
bei Flüssigkeiten und Feststoffen bewirken Drücke kaum effektive Volumen-Veränderungen;
damit ändert sich auch die Konzentration nur geringfügig
in den meisten Betrachtungen kann man auch die Volumina von Flüssigkeiten und Feststoffen vernachlässigen, da diese im Vergleich zu Gas-Volumen minimal sind
Im Prinzip handelt es sich um eine Beeinflussung der Konzentration, da die Teilchen bei
Druck-Erhöhung einfach dichter liegen und damit die Chancen für Teilchen-Kontakte steigen
Vergleich der molaren Volumen
von Feststoffen, Flüssigkeiten
und Gasen (schematisch)
<
Feststoff
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
<<
Flüssigkeit
Gas
- 46 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Stoff
Symbol /
Formel
Dichte
[kg/l]
Aluminium
Ammoniak (g)
Al
NH3
2,7
0,000.77
Blei
Pb
11,34
C
CO2
CO
0,001.98
0,001.25
Eisen
Fe
7,86
Gold
Au
19,3
Platin
Phosphor (weiß)
Pt
P
21,45
1,82
Sauerstoff
Stickstoff
Schwefel
O2
N2
S
0,001.43
0,001.25
2,06
H2O
H2
1,0
0,000.09
Zn
7,13
Cohlenstoff (Graphit)
Cohlen(stoff)dioxid
Cohlen(stoff)monoxid
Wasser
Wasserstoff
Zink
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
molares
Volumen
[l/mol]
Molarität
[mol/l]
22,4
0,0446
22,4
22,4
0,0446
0,0446
22,4
22,4
0,0446
0,0446
22,4
0,0446
- 47 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.3.2. das chemische Gleichgewicht
Zu fast jeder chemischen Reaktion gibt es eine Rück-Reaktion. Aus den Produkten werden
wieder die Edukte. Da die Produkte, in dem Augenblick, wo sie neu gebildet wurden auch
wieder miteinander reagieren können, beginnt praktisch sofort nach der Produkt-Bildung
auch wieder die Rück-Bildung der Edukte.
Hinreaktion
Edukte
Produkte
Rückreaktion
Chemische Reaktionen sind im Allgemeinen umkehrbar, d.h. Hin- und die Rück-Reaktion
laufen gleichzeitig ab. Ausnahmen gibt es z.B. bei photochemischen Reaktionen.
Wie wir schon geseReaktion
A <===> B
hen haben, ist die Stoffmenge
Reaktions-GeschwinA
digkeit besonders von 100,00
B
der Konzentration der
Stoffe abhängig. Da
gleich zu Anfang der
Produkt-Bildung
nur
50,00
sehr wenige Produkte
vorhanden sind, wird
die
Rück-Reaktion
auch nur schleppend
anlaufen. Je mehr
0,00
dann aber von den
Zeit
Produkten da sind,
umso stärker ist auch
die Rück-Reaktion.
Irgendwann ist der
Reaktion
A <===> B
Punkt erreicht, in dem Reaktionsgeschwindigkeit
die Geschwindigkeiten
25
von Hin- und RückHinreaktion
Reaktion genau idenRückreaktion
20
tisch sind. Wir sprechen dann vom chemischen
Gleichge15
wicht. Dieses ist ein
dynamisches Gleich10
gewicht. Ständig werden
irgendwo
im
Reaktions-Gefäß neue
5
Produkte
gebildet,
während
woanders
0
Zeit
wieder Produkte die
Rück-Reaktion eingehen.
Betrachtet man die Konzentrationen der reagierenden Stoffe, dann erkennt man das chemische Gleichgewicht am waagerechten und parallelen Verlauf der Graphen zueinander. Auch
aus der Sicht der Konzentrationen ist das Gleichgewicht dynamisch. Zwar werden ständig
neue Teilchen gebildet, aber der Zerfall (aller Teilchen) der Reaktionsprodukte ist genauso
groß. Beide Konzentrationen ändern sich nicht, werden aber ständig durch neue / andere
Teilchen aufrechterhalten.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 48 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): chemisches Gleichgewicht
Das chemische Gleichgewicht ist der Zustand, bei dem sich äußerlich keine Veränderungen
der Stoff-Konzentrationen mehr feststellen lassen.
Das chemische Gleichgewicht ist die zeitliche Phase einer chemischen Reaktion, bei der
Hin- und Rück-Reaktion gleichstark ablaufen.
RG (Hinreaktion] = RG [Rückreaktion]
5.3.2.1. das Massenwirkungs-Gesetz
Cato Maximilian GULDBACH und Peter WAAGE
5.3.2.2. Abhängigkeit und Beeinflussung des chemischen Gleichgewichtes
Prinzip vom kleinsten Zwang / Prinzip von LE CHÂTELIER (1884)
1888 unabhängig auch von BRAUN gefunden
Definition(en): Prinzip von LE CHÂTELIER /
Prinzip des kleinsten Zwangs
Das Prinzip von LE CHÂTELIER besagt, dass ein chemisches Gleichgewicht bei äußeren
Einwirkungen (Temperatur, Konzentration, Druck) diesen so ausweicht, dass die Wirkungen
minimiert werden .
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 49 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Konzentrations-Abhängigkeit
A
+
B
C
+
D
Wirkung
Erhöhung der Konzentration
C

A
+

B
D

C
+
D
C
+
D

A
B
Zufuhr / Erhöhung der Konzentration
Ursache
Ursache
Verringerung / Erniedrigung der Konzentration
A
B

A
und /
oder
+

B

und

C
D
Verringerung / Erniedrigung der Konzentration
Wirkung
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 50 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Temperatur-Abhängigkeit
Bei der Bewertung des Einflusses einer Temperatur-Veränderung auf ein chemisches
Gleichgewicht müssen wir immer zwei Effekte beachten. Diese können sich verstärken aber
auch gegenseitig ausgleichen.
Der erste Effekt ist die allgemeine
Beschleunigung einer Reaktion mit
der Erhöhung der Temperatur. Diesen Effekt kennen wir schon unter
der Bezeichnung "RGT-Regel". Erhöht man die Temperatur um 10 K,
dann erhöht sich die ReaktionsGeschwindigkeit durchschnittlich um
das Zwei- bis Drei-fache. Zu beachten ist aber, dass dieser Effekt sowohl für die Hin- als auch für die
Rück-Reaktion gilt. Beide werden
bei einer Temperatur-Erhöhung also
schneller und bei einer Erniedrigung
langsamer. Die Energie-Niveaus der
Ausgangs-Stoffe und der ReaktionsProdukte sind jeweils angehoben
bzw. gesenkt. Im nebenstehenden
Energie-Niveau-Schema ist dies für
eine Temperatur-Erhöhung um 100
K angedeutet.
Für Hin- und Rück-Reaktion sind die zu überwindenden Berge (Aktivierungs-Energien) deutlich kleiner geworden. Die Dynamik im Gleichgewicht wird somit wesentlich größer bzw. kleiner. Die Lage des Gleichgewichts aber bleibt gleich.
Die Anwendung der RGT-Regel ist vor allem dann interessant, wenn man eine größere oder
kleinere Dynamik wünscht. Wenn man z.B. die Reaktions-Produkte ständig aus dem Gleichgewicht entfernt, dann kann eine schnelle(re) Nachbildung im Sinne der Synthese-Planer
sein.
Der zweite Effekt betrifft die Wärme-Tönung der Reaktion. Ist in einem chemischen Gleichgewicht z.B. die Hin-Reaktion endotherm, dann muss (- wegen dem Energie-Erhaltungs-Satz
-) die Rück-Reaktion exotherm sein.
z.B.:
A
+
endotherm
B
C
+
D
exotherm
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 51 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Für eine endotherme Reaktion ist eine Temperatur-Erhöhung förderlich.
Wirkung
Erhöhung der Konzentration
C

z.B.:
A
+
D

endotherm
B
C
+
D
exotherm


A
B
Wärme-Zufuhr / Erhöhung der Temperatur
Ursache
Die exotherme Rück-Reaktion wird durch eine Temperatur-Erhöhung aber behindert. Die
Reaktions-Partner wollen eigentlich Energie loswerden, eine Temperatur-Erhöhung wirkt
diesem aber entgegen.
Ursache
Verringerung / Erniedrigung der Temperatur
A
B

und /
oder

z.B.:
A
+
endotherm
B
C
+
D
exotherm

und

C
D
Verringerung / Erniedrigung der Konzentration
Wirkung
Aufgaben:
1. Entwickeln Sie die Ursache-Wirkungs-Schemata für ein chemisches Gleichgewicht, bei dem die Hin-Reaktion exotherm ist!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 52 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Druck-Abhängigkeit
Damit eine Druck-Veränderung überhaupt eine Wirkung in einem chemischen System hat,
muss dieses eine Volumen-Veränderung durchmachen. Praktisch haben wir das nur bei Reaktionen mit Gasen. Weiterhin müssen sich die Volumen von Ausgangs-Stoffen und Reaktions-Produkten unterscheiden.
Natürlich wirkt der Druck auch auf feste oder flüssige Stoffe. Nur ist hier die Wirkung – wegen der sehr geringen
Kompressibilität – extrem (vernachlässigbar) gering. Wir können im Normal-Fall die Druck-Abhängigkeit solcher
Reaktionen ignorieren.
Die Reaktion:
CO
+
H2O(g)
CO2
+
H2
kann durch Druck-Veränderungen nicht beeinflusst werden, da auf beiden Seiten der Gleichung gleich große Volumina stehen:
V:
CO
+
H2O(g)
CO2
+
H2
Bei Reaktionen mit unveränderlichen Volumen kommt es z.B. durch eine Druck-Erhöhung zu einer Konzentrations-Erhöhung im Gefäß. Das Volumen wird ja kleiner und die Stoffmenge bleibt gleich. Praktisch verändern sich
die Geschwindigkeiten für die Hin- und Rück-Reaktion, was wiederum nur die Dynamik des Gleichgewichtes beeinflusst, aber nicht seine Lage.
Ähnlich verhält es sich bei Gleichgewichten, in den Flüssigkeiten und / oder Feststoffe reagieren. Wir brauchen hier nur die Gas-Volumen betrachten, da die anderen Stoffe praktisch
nicht kompressibel sind.
V:
+
+
Beachten Sie bitte, dass die Andeutung der Größen-Verhältnisse bei den verschiedenen Aggregat-Zuständen nur
schematisch ist. In der Praxis haben Gase ein rund 200x größeres Volumen pro Mol als Flüssigkeiten und Feststoffe. Der Unterschied zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten ist minimal und minimal!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 53 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Ein schönes Beispiel für die Beeinflussbarkeit des Gleichgewichtes durch den Druck ist die
Ammoniak-Synthese:
V:
N2
+
3 H2
2 NH3
Die Ausgangs-Stoffe benötigen / beanspruchen das doppelte Volumen, wie die ReaktionsProdukte. Erhöht man nun z.B. den Druck so, dass die Ausgangs-Stoffe mit der Hälfte des
Volumens auskommen müssten, dann kann man sich gut vorstellen, dass die Teilchen (im
Gleichgewicht) lieber in dem Zustand sind, der genau diesen zwei Volumen-Einheiten entspricht. Und das ist das Reaktions-Produkt Ammoniak. Es ist einfach energetisch günstiger
in der "Ammoniak"-komprimierten Form zu existieren, als in der expandierten Form der Ausgangs-Stoffe, wo eine extreme Drängelei besteht.
V:
N2
+
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
3 H2
2 NH3
- 54 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Ursache
Wirkung
Verringerung / Erniedrigung der Konzentration
A
B
Erhöhung der Konzentration
C
und /
oder

A

+


B
C


A
B
Zufuhr / Erhöhung der Konzentration
D

+
D
und

C
D
Verringerung / Erniedrigung der Konzentration
Ursache
Wirkung
Beispiele
Bildung von Phosgen aus Cohlenmonoxid und Chlor
CO + Cl2
COCl2
; RH= -109 kJ/mol
Umwandlung von Blei(II,III)-oxid in Blei(II)-oxid
2 Pb3O4
; RH= + kJ/mol
6 PbO + O2
Reaktion von Nickel mit Cohlenmonoxid
Ni + 4 CO
Ni(CO)4
; RH= ? kJ/mol
Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Methan zu Cohlenstoffsulfid (gasförmig)
2 H2S + CH4
CS2 + 4 H2
; RH= ? kJ/mol
Methanol-Synthese aus Cohlenmonoxid und Wasserstoff
CO + 2 H2
CH3OH (g)
; RH= -91 kJ/mol
Synthese von Ethanol aus
CH2=CH2 + H2O (g)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
CH3-CH2OH (g)
- 55 -
; RH= ? kJ/mol
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Die nachfolgenden chemischen Gleichgewichte sollen so geführt werden,
dass möglichst viele Reaktions-Produkte gebildet werden. Geben Sie an, mit
welchen Faktoren und wie genau (z.B.: zunehmend oder abnehmend; kleiner oder größer) Sie das chemische Gleichgewicht beeinflussen wollen! Begründen Sie Ihre Wahl!
a) Umwandlung von Distickstofftetraoxid in Stickstoffdioxid
N2O4
2 NO2 ; RH=57 kJ/mol
b) Cohlensäure-Gleichgewicht (z.B. in Getränke-Flaschen)
CO2 + H2O
H2CO3 ; RH= -x kJ/mol
c) vollständige Verbrennung von Methan zu Cohlendioxid und Wasser (gasförmig)
d) Brennen von Kalk: CaCO3
CaO + CO2 ; RH=179 kJ/mol
e) Herstellung von Schwefeltrioxid aus Schwefeldioxid (RH= -197 kJ/mol)
2. Die nachfolgenden chemischen Gleichgewichte sollen so geführt werden,
dass die Ausgangsstoffe sich nicht umsetzen (Verhinderung eines Verderbs,
…). Geben Sie an, mit welchen Faktoren und wie genau (z.B.: zunehmend
oder abnehmend; kleiner oder größer) Sie das chemische Gleichgewicht beeinflussen wollen! Begründen Sie Ihre Wahl!
a) Korrosion von Eisen (Rosten)
Fe + O2 + 2 H2O
Fe(OH)2 ; RH= -x kJ/mol
d) Zerlegung (Hydrolyse) eines (Nahrungs-)Fettes in Glycerol und (unangenehm riechende)
Fettsäuren
Fett + Wasser
Glycerol + 3 Fettsäuren ; RH= +x kJ/mol
c) Umwandlung von Glycerol in giftiges Acroleïn (beizender Fritten-Geruch (McDonaldsGeruch))
C3H8O3
C3H4O + 2 H2O ; RH= +x kJ/mol
d)
3. Durch welche Veränderungen in den Reaktions-Bedingungen können die
nachfolgenden chemischen Gleichgewichte beeinflusst werden? Für welche
Bedingungs-Veränderungen sind sie nicht empfindlich? Geben Sie immer
eine kurze Begründung an!
a) C + CO2
2 CO
; RH= +x kJ/mol
b) CO + H2O
CO2 + H2
c) CO + NO2
CO2 + NO
H2CO3
e) 2 NO + O2
2 NO2
f) CH4 + H2O
CO + 3 H2
h) CO2 + NO
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
; RH= +x kJ/mol
; RH= +x kJ/mol
d) CO2 + H2O
g) 2 CH4 + O2 + 4 N2
; RH= +x kJ/mol
; RH= +x kJ/mol
; RH= +x kJ/mol
2 CO + 4 H2 + 4 N2
CO + NO2
- 56 -
; RH= +x kJ/mol
; RH= +x kJ/mol
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4. Arten chemischer Reaktionen
Die Vielzahl bekannter chemischer Reaktion zwingt zur Systematisierung. Je nach Bewertungs-Kriterium gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Unterteilung. Eine sehr einfache
Möglichkeit wäre die Einteilung in anorganische und organische Reaktionen. In diesem Fall
würden wir nach der Art der reagierenden Stoffe unterscheiden. Schon die Reaktion von
Glucose (Traubenzucker) mit Sauerstoff würde uns in Schwierigkeiten bringen.
C6H12O6
Glucose
organisch
+
6 O2
6 CO2
+ Sauerstoff
anorganisch
+
6 H2O
Cohlendioxid + Wasser
anorganisch
anorganisch
Dominieren hier die drei anorganischen Stoffe ( anorganische Reaktion) oder das größere
Molekül Glucose ( organische Reaktion)?
Der eine oder andere Leser wird sich vielleicht noch daran erinnern, dass es sich bei der gegebenen Gleichung um die Zusammenfassung der Zellatmung geht. Also doch eine organische Reaktion, zumal sie in lebenden Zellen abläuft.. Doch da fällt uns ein, Glucose ist auch
einfach so brennbar. Die einfache Oxidation lässt sich auch einfach so realisieren. Dann wäre es doch eine anorganische Reaktion. Also hier kommen wir so nicht weiter!
Die Reaktions-Geschwindigkeit als Kriterium zur Charakterisierung von Reaktionen haben
wir beim Thema Kinetik dargestellt. Versucht man aber dabei Reaktionen einzuordnen, die
so ähnlich ablaufen, dann verstreuen die sich schnell mal über zwei bis drei Geschwindigkeits-Klassen. Also auch kein so gutes Kriterium.
Die Unterscheidung hinsichtlich der Energie-Aufnahme oder Abgabe haben wir bei der
Thermodynamik chemischer Reaktionen besprochen. Wir unterscheiden dabei endotherme
Reaktionen (mit Energie-Aufnahme) von exothermen Reaktionen (mit Energie-Abgabe). Mit der Beachtung von Energie-Übergängen kommen wir dem Wesen chemischer Reaktion auch
schon näher.
Eine weitere Möglichkeit wäre es, das zugrundeliegende Reaktions-Schema zu bewerten.
Bei einer Addition reagieren zwei oder mehr Stoffe zu einem Produkt. Das Reaktions-Prinzip
kann mit der allgemeinen Gleichung:
A + B
C
beschrieben werden. Additionen sind typische Synthesen (Bildungs-Reaktionen). Verfolgt
man die ursprünglichen Atome oder Atom-Gruppen (A und B) weiter, dann ließe sich das
Reaktions-Schema auch so schreiben:
A + B
AB
Die Umkehrung einer Addition nennen wir Eliminierung. Bei ihnen bilden sich aus einem
Stoff mehrere kleinere.
C
A + B
od. auch:
AB
A + B
Eliminierungen gehören zur Klasse der Analysen (Zerlegungs-Reaktionen).
Bleibt noch eine Gruppe von Reaktionen, bei denen es zum Austausch von Atomen oder
Atom-Gruppen kommt. Solche Reaktionen nennen wir Substitutionen. Sie folgen dem
Reaktions-Schema:
D + E
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
F + G
- 57 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Will man den Übergang des Atoms bzw. der Atom-Gruppe wieder genauer darstellen, könnte
man auch:
DH + E
D + EH
schreiben.
Chemiker suchen aber eher nach dem inneren / tieferen Wesen einer chemischen Reaktion.
Aus wissenschaftlicher Sicht bieten sich deshalb auch eher Unterscheidungen an, die das
genaue Reaktions-System einbeziehen.
Zu solchen Reaktions-Arten gehören die Säure-Base-Reaktionen ( 5.4.1. Säure-BaseReaktionen / Reaktionen mit Protonen-Übergang). Zuerst sieht es zwar so aus, als würden
wir nur die reagierenden Stoffe / Stoff-Klassen betrachten – eben die Säuren und Basen.
Beim genaueren Hinsehen werden wir erkennen, dass es sich um eine spezielle ÜbergangsReaktion (Schema-Typ: Substitution) handelt. Desweiteren können verschiedene Stoffe in
Säure-Base-Reaktionen eingehen, die scheinbar gar nicht zu den Säuren oder Basen gehören.
Auf der gleichen Ebene der Einteilung finden wir auch die Redox-Reaktionen. Sie sind ebenfalls spezielle Übergangs-Reaktionen ( 5.4.2. Redox-Reaktionen / Reaktionen mit Elektronen-Übergang).
Definition(en): Addition (Additions-Reaktion)
Eine Addition ist eine chemische Reaktion, bei der zwei oder mehr Stoffe zu einem Reaktions-Produkt vereint werden.
Definition(en): Eleminierung (Eleminierungs-Reaktion)
Eine Eleminierung ist eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff ein oder mehrere Bestandteile abspaltet.
Definition(en): Substitution (Substitutions-Reaktion)
Eine Substitution ist eine chemische Reaktion, bei der es zum Austausch von Atomen oder
Atom-Gruppen zwischen mindestens zwei Stoffen kommt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 58 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1. Säure-Base-Reaktionen / Reaktionen mit Protonen-Übergang /
Protolysen
Erkennung am Geschmack, namensgebend
älteste bekannte Säure ist die Essigsäure
ätzende Wirkung weiteres Säure-Merkmal
mit den pflanzlichen Säuren hatten die Menschen in der Frühzeit und im frühen Mittelalter
zuerst bewussten Kontakt
Apfelsäure, Zitronensäure, aber auch die Ameisensäure, die sowohl in Ameisen wie auch in
Brennnesseln vorkommt
erst mit Beginn des 14. Jhd. kamen anorganische Säuren dazu, schmecken nicht mehr ohne
Weiteres möglich, da diese Säuren i:A. ätzend wirken, schmecken noch in starker Verdünnung sauer (Sicherheitsvorschrift: bei anorganischen Säuren ist kein Geschmacks-Test erlaubt!!!)
Basen – früher Alkalien genannt – haben eher bitteren bis seifigen Geschmack und bei Berührung einen seifigen und mehr nachhaltigen ätzenden Eindruck (fühlen sich schlüpfrig an)
erste genutze Basen waren Soda und Pottasche (basische Salze) für Wasch-Zwecke
Basen und Säuren können sich gegenseitig neutralisieren, d.h. ihre charakteristischen Eigenschaften verschwinden, wobei Salze entstehen
später fand man Farbstoffe (zuerst Lackmus), die auf Säuren und Basen unterschiedlich reagierten und somit als Erkennungs- bzw. Anzeige-Substanz - sogenannte Indikatoren – dienen konnten
roter Lackmus (ein Pflanzen-Auszug) färbte sich mit Basen blau, blauer Lackmus mit Säuren
rot (BOYLE (1664))
Veränderungen an Farben waren den Handwerkern im Mittelalter bekannt, Nutzung zur Bleiche, Fixierung von Farbstoffen
Basen zur Verwendung bei der Herstellung von Seife
Köche kennen die Farbveränderungen von
Rot- oder auch Blaukraut (Rotkohl). Je
nach Säure-Gehalt verfärbt sich der Saft
von rot-violetten bis zum blauen Farbton.
Unter chemischen Bedingungen, kann man
noch mehr bzw. auch weniger Säure (sozusagen Antisäure  Base) hinzufügen.
Dann bilden sich noch extremere Verfärbungen. Rotkohl unter solch extremen Bedingungen würde uns aber nicht mehr
schmecken bzw. wäre sogar Gesundheitsgefährlich.
Die genaue Zuordnung der Farben zu den
(viel später definierten) sogenannten pHWerten findet det interessierte Leser im
Abschnitt 5.4.1.2. der pH-Wert.
Rotkohl-Saft bei verschiedenen pH-Werten (Säure-Gehalten)
Q: de.wikipedia.org (Supermartl)
Im Mittelalter gab es dann die ersten Versuche Stoffgruppen auf Grund ihrer chemischen Eigenschaften zu definieren.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 59 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
TACHENIUS (1660): Säuren sind Stoffe, die sauer schmecken, mit unedlen Metallen unter
Bildung eines Gases reagieren und mit Kalk aufschäumen. TACHENIUS war der
"Allchemisten-Name" von Otto TACKE, einem deutschen Arzt und Chemiker.
Der Base-Begriff geht ebenfalls auf TACHENIUS zurück. Unter Basen verstand er die (nichtflüchtigen) Stoffe, die mit (flüchtigen) Säuren Salze bildeten. Dabei bildeten die nichtflüchtigen Stoffe seiner Meinung nach die Grundlage (Basis) der Salze.
Begriff Base ab 1730, abgeleitet von "Basis", weil sie als Grundlage für die Herstellung von
Salzen betrachtete (umfasste immer noch Metallhydroxide, Metalloxide und Alkali- und Erdalkali-Carbonate)
LAVOISIER (1743 – 1794) nahm noch an, dass Säuren immer auf Nichtmetalloxiden und
Basen auf Metalloxiden basieren. Bei der Reaktion mit Wasser bildeten sie dann entweder
die Säure oder die Base. Dies war auch die gängige Methode zur Herstellung einer Säure
oder Base. Man verwendete einfach das passende Nichtmetall- bzw. Metall-Oxid und löste
es in Wasser. Auf LAVOISIER gehen aber auch Aussagen zurück, das der Sauerstoff der
Teil sei, der einen Stoff sauer machen würde.
Schwefelbioxyd + Wasser = Monothionische Säure
SO2
+
HO
=
HO,SO2
Schwefeldioxid + Wasser
schweflige Säure
historische Bezeichnung
und Schreibweise
heute übliche Schreibweise
Calciumoxid + Wasser = Calciumhydroxid
CaO
+
HO
=
CaO,HO
Calciumoxid + Wasser
Calciumhydroxid
DAVY (1811) konnte dann bei der Salzsäure nachweisen, dass der saure Charakter nicht
vom Sauerstoff kommen könne, da Salzsäure überhaupt kein Sauerstoff enthält
Stoffe zerlegten sich nach der damaligen Ansicht
in Radikale; man kannte noch keine Ionen
HCl = H + Cl
LIEBIG brachte dann den Wasserstoff ins Spiel. In allen Säuren konnte man Wasserstoff
nachweisen. Da aber wiederum eine Vielzahl von Stoffen bekannt war, die ebenfalls Wasserstoff enthielten, sie aber nicht sauer reagierten, konnte dies auch noch nicht der Weisheit
letzter Schluss sein.
Nach seiner Theorie waren Säuren Wasserstoff-haltige Stoffe, die sich mit Metallen zu Salzen umsetzen ließen. Bei der Reaktion wurde der Wasserstoff dann frei.
Mg + H2SO4
MgSO4 + H2 
Zn + HCl
ZnCl2 + H2 
im 19.Jhd. kamen dann sehr viele neue Indikatoren dazu, die auch andere Farbübergänge
zeigten. So ist z.B. Phenolphthaleïn bei Anwesenheit von Säuren farblos und bei Basen violett gefärbt. Durch Kombination mehrerer Indikatoren konnte man einen sogenannten Universal-Indikator entwickeln, der heute vor allem in einfachen Untersuchungen benutzt wird.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 60 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Indikator
Farbe im sauren
Bereich
Alizaringelb
gelb
Methylorange
Methylrot
Phenolphthaleïn
rot
rot
farblos
Indikator
Farbe im sauren Bereich
pH-UmschlagBereich 1
Farbe im neutralen Bereich
pH-UmschlagBereich 2
Farbe im basischen Bereich
Bromthymolblau
rot
1,2 – 1,4
gelb
8,4 – 8,6
blau
Thymolblau
rot
1,2 – 1,4
gelb
6,6 – 6,9
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
pH-UmschlagBereich
10,8 – 11,2
4,5 – 5,0
5,2 – 5,6
8,5 – 8,7
- 61 -
Farbe im basischen Bereich
dunkel violett
ockergelb / orange
gelb
violett
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1. Säure- und Base-Begriffe / Säure-Base-Konzepte
5.4.1.1.1. Säuren und Basen nach ARRHENIUS
1884 elektrolytische Dissoziation
Dissoziation ist die Auftrennung von Stoffen in Ionen
alle Säuren und Basen sind in wässriger Lösung Elektrolyte – also Lösungen, die den elektrischen Strom leiten
Definition(en): Dissoziation
.
Definition(en): Elektrolyt
.
In der Schule haben die Meisten Säuren und Basen auf eine einfache Art kennengelernt.
So dissoziierten Säuren in wässriger Lösung in Wasserstoff-Ionen und Säure-Rest-Ionen:
-
Salzsäure:
HCl
H+ + Cl
Schwefelsäure:
H2SO4
2 H+ + SO42
-
Manchmal legte der Chemie-Lehrer noch Wert darauf, dass die Gleichung irgendwie deutlich
machte, dass es sich um einen Vorgang in wässriger Lösung handelte. Das indizierte (aq) für
"aquatisiert" sollte das dann kennzeichnen.
-
Salzsäure:
HCl (aq)
H+ (aq) + Cl (aq)
Schwefelsäure:
H2SO4 (aq)
2 H+ (aq) + SO42 (aq)
-
Als gemeinsames und sozusagen "saures" Merkmal wurden die Wasserstoff-Ionen (H+) herausgearbeitet.
Entsprechend wurde bei den Basen vorgegangen:
-
Natriumhydroxid:
NaOH
Na+ + OH
Magnesiumhydroxid:
Mg(OH)2
Mg2+ + 2 OH
-
und wenn es der Chemie-Lehrer wieder etwas genauer sehen wollte:
-
Natriumhydroxid:
NaOH (aq)
Na+ (aq) + OH (aq)
Magnesiumhydroxid:
Mg(OH)2 (aq)
Mg2+ (aq) + 2 OH (aq)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-
- 62 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
-
Bei den Basen kristallisierte sich das Hydroxid-Ion (OH ) als der basisch machende Bestandteil heraus.
Der schwedischer Chemiker Svante ARRHENIUS (1859 – 1927) entwickelte aus solchen
Betrachtungen seinen Säure- und Base-Begriff. Nach ARRHENIUS (1883) sind Säuren solche Stoffe, die in einer wässrigen Lösung ein Wasserstoff-Ion abspalten. Basen sind dagegen Stoffe, die in wässriger Lösung ein Hydroxid-Ion abspalten.
Definition(en): Säure (ARRHENIUS)
Säuren sind Stoffe, die in Wasser in Wasserstoff-Kationen (positiv geladene WasserstoffIonen) und Säurerest-Anionen (negativ geladene Säurerest-Ionen) dissoziieren.
Der saure Charakter geht von den Wasserstoff-Kationen aus.
Säuren sind Stoffe, die in wässrigen Lösungen Wasserstoff-Ionen abspalten.
Definition(en): Base (ARRHENIUS)
Basen sind Stoffe, die in Wasser in Metall-Kationen und Hydroxid-Anionen dissoziieren. Der
basische Charakter geht von den Hydroxid-Anionen aus.
Basen sind Stoffe, die in wässrigen Lösungen Hydroxid-Ionen abspalten.
Problematisch ist aber z.B. das Ammoniak. In Lösung zeigt uns der Indikator Unitest mit seiner blauen Farbe scheinbar die Hydroxid-Ionen (in Wirklichkeit nur die fehlenden Wasserstoff-Ionen)
an. Aber in der Formel für Ammoniak NH3 ist beim besten Willen kein Sauerstoff für das
Hydroxid-Ion zu finden.
Ammoniak:
NH3
-
NH3 (???) + OH (???)
Daneben bleiben bei ARRHENIUS noch weitere Fragen offen, z.B.: Warum geben die Säuren ihre Wasserstoff-Ionen überhaupt ab?
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 63 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
klassische anorganische Säure mit ihren Säure-Rest-Ionen
Name
(trivial)
Chlorwasserstoffsäure
(Salzsäure)
salpetrige
Säure
Salpetersäure
schweflige
Säure
SummenFormel
HCl
HNO2
Struktur-Formel
_
H – Cl|
_
O = N – O - H
HNO3
H2SO3
Schwefelsäure
H2SO4
Kohlensäure
H2CO3
Phosphorsäure
H3PO4
Name des / der
Säure-Rests /-Reste
Chlorid-Ion
SummenFormel d.
S-R.
Cl
Nitrit-Ion
NO2
Nitrat-Ion
Hydrogensufit-Ion
Sulfit-Ion
Hydrogensulfat-Ion
Sulfat-Ion
Hydrogencarbonat-Ion
Carbonat-Ion
DihydrogenphosphatIon
Hydrogenphosphat-Ion
Phosphat-Ion
NO3
HSO3
2SO3
HSO4
2SO4
HCO3
2CO3
H2PO4
-
StrukturFormel d. SR.
_
|Cl|
_
_
_
O = N – O|
-
2-
HPO4
3PO4
weitere anorganische Säure mit ihren Säure-Rest-Ionen
Name
(trivial)
SummenFormel
Fluorwasserstoffsäure
Bromwasserstoffsäure
Iodwasserstoffsäure
Schwefelwasserstoffsäure
HF
StrukturFormel
_
H – F|
Name des Säure-Rests
Fluorid-Ion
SummenFormel d.
S-R.
F
_
|F|
Bromid-Ion
Br
HI
Iodid-Ion
I
H2S
Hydrogensufid-Ion
Sulfid-Ion
HS
2S
- 64 -

-
HBr
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
StrukturFormel d. SR.
-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
klassische anorganische Basen / Laugen mit ihren Base-Rest-Ionen
Name
(trivial)
SummenFormel
StrukturFormel
Name des
Restes
Base-
Natriumhydroxid
Natronlauge (Ätznatron)
Kaliumhydroxid
Kalilauge
(Ätzkali)
Calciumhydroxid
Kalkwasser
(Ätzkalk, gelöschter
Kalk)
Bariumhydroxid
Barytwasser
Magnesiumhydroxid
NaOH
Natrium-Ion
SummenFormel d.
B.-R.
+
Na
KOH
Kalium-Ion
K
Ca(OH)2
Calcium-Ion
Ca
Ba(OH)2
Barium-Ion
Ba
Mg(OH)2
Magnesium-Ion
Mg
StrukturFormel d.
B.-R.
+
2+
2+
2+
Die oben angegebenen klassischen Säuren und Basen gehören zum Grundwissen der Chemie. Das Kennen der Namen und Symbole dieser Stoffe sowie
ev. Säure-Rest-Ionen ist deshalb als obligatorisch anzusehen!!!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 65 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.2. Säuren und Basen nach CADY (Solvens-Theorie der Säuren und Basen)
CADY entdeckte 1928, dass auch einige flüssige Stoffe (z.B. ionische Lösungsmittel wie
Wasser) eine gewisse Eigen-Dissoziation zeigten, ein solcher Stoff wurde als Solvens bezeichnet
die Eigen-Dissoziation sollte durch Übertragung von geladenen Teilchen zwischen den
Solvens-Molekülen vonstatten gehen
nach der Art der wandernden Teilchen unterschied er kationo- und aniono-trope Lösungsmitteln unterschieden, bei kationotropen Lösungsmitteln gehen Kationen zwischen den SolvensTeilchen über, bei den anionotropen eben Anionen
Wasser (KP=100 °C) gehört nach CADY zu den kationotropen Stoffen
H2O
+
H2O
-
H3O+
+
OH
NH4+
+
NH2
genau so flüssiges Ammoniak (KP=-33 °C):
NH3
+
NH3
-
Zu den anionotropen Stoffen zählen z.B. Bromtrifluorid (KP=135 °C) und flüssiges Schwefeldioxid (KP=-10 °C):
-
BF3
+
BF3
BF2+
+
BF4
SO2
+
SO2
SO2+
+
SO32
-
CADY übertrug also das Säure-Base-Verständnis allgemein auf ionische Lösungsmittel
Definition(en): Säure (CADY), Solvosäure
Säuren sind Stoffe, die durch Dissoziation in einem Lösungsmittel oder durch Reaktion mit
dem Lösungsmittel die Menge der Lösungsmittel-eigenen Kationen erhöhen.
Definition(en): Base (CADY), Solvobase
Basen sind Stoffe, die durch Dissoziation in einem Lösungsmittel oder durch Reaktion mit
dem Lösungsmittel die Menge der Lösungsmittel-eigenen Anionen erhöhen.
Bei den Stoffen hängt ihre Zuordnung zu den Solvo-Säuren, –Basen oder –Salzen davon ab,
in welches Lösungsmittel sie gerade gegeben werden:
NH4Cl
+
Solvosalz
H2O
-
NH4+
+
OH
NH4+
+
Cl
NH3(fl)
NH4Cl
Solvosäure
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 66 -
-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.3. Säuren und Basen nach BRÖNSTEDT (Protonen-Theorie der Säuren
und Basen)
Wegen der verschiedenen Widersprüche im Säure-Base-Begriff von ARRHENIUS entwickelte der dänische Chemiker Johannes Nicolaus BRÖNSTED (eigentlich BRØNSTED) die Säure-Base-Theorie weiter (1923).
BRÖNSTEDT konzentrierte sich mehr auf den zu charakterisierenden Stoff, als auf das Lösungsmittel. Weiterhin löste er das Säure-Base-Verhalten vom flüssigen Zustand. Die Charakterisierung erfolgt nur noch über die Fähigkeit Protonen (Wasserstoff-Ionen) aufzunehmen oder abzugeben.
Salzsäure:
Allgemein gilt:
oder:
-
H+ + Cl
Base
HCl
Säure
H+ + Base
Säure
Säure
Base + H+
Geben die Stoffe Protonen ab, dann sind sie Säuren, nehmen sie Protonen auf, dann sind
sie eben Basen. Da der Stoff, der als Säure fungiert bei der Protonen-Abspaltung (Protolyse)
einen Säure-Rest erzeugt, der gleich wieder das Proton aufnehmen kann – also als Base
fungiert – sind immer eine Säure und eine Base direkt miteinander "verbunden".
BRÖNSTEDT bezeichnete solche zusammenhängenden Säure-Base-Konstellationen als
korrespondierendes Säure-Base-Paar (auch: konjugiertes Säure-Base-Paar).
1924 entdeckten FAJANS und JOST, dass die Protonen nicht losgelöst (manchmal auch als
nackt bezeichnet) vorkommen. In Wasser werden sie sofort von partiell negativ geladenem
Sauerstoff angezogen und gebunden. Das dabei gebildete komplexe Ion wurde HydroniumIon (H3O+, selten auch: Hydroxonium-Ion) genannt.
H+ + H2O
H3O+
Nach BRÖNSTEDT ist auch diese Reaktion eine Säure-Base-Reaktion. Da die ProtonenAbgabe immer mit einer Protonen-Aufnahme verbunden ist, werden beide (Teil-)Reaktionen
immer gleich miteinander verbunden.
Heute wissen wir, das sich noch weitere Wasser-Moleküle mit dem Hydronium-Ion verbinden und immer größere
+
+
+
Ionen (Verklumpungen, Cluster) bilden. Sie werden auch als Oxonium-Ionen (H5O2 , H7O3 , H9O4 usw.; nach
IUPAC: Oxidanium) bezeichnet. Da aber nicht wirklich ein neuartiger chemischer Effekt dabei auftritt, belässt man
es bei den Hydronium-Ionen.
Insgesamt kommen wir dann z.B. zu folgender Gleichung:
Salzsäure:
-
H3O+ + Cl
HCl + H2O
Das teilweise negativ geladene Sauerstoff-Atom des Wasser-Moleküls wechselwirkt mit
dem teilweise positiv geladenen Wasserstoff-Atom des Chlorwasserstoff-Moleküls. Das
Wasserstoff-Atom bildet zeitweilig eine Brücke zwischen beiden Molekülen und wird dann
meistens zum Wasser-Molekül gezogen. Die Bindungs-Elektronen des Chlorwasserstoff
verbleiben beim Chlor, so dass insgesamt zwei Ionen entstehen – das negativ geladene
Chlorid-Ion und das positiv geladene Hydronium-Ion.
Das Hydronium-Ion und das Chlorid-Ion interagieren auch wieder miteinander und bilden
dann die Wasser- und Chlorwasserstoff-Moleküle zurück.
Schwefelsäure:
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
H2SO4 + 2 H2O
- 67 -
-
2 H3O+ + SO42
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Schreiben Sie die Struktur-Gleichung für die Dissoziation des Chlorwasserstoffs ab und ergänzen Sie die fehlenden Elektronen-Paare (LEWISSchreibweise) z.B. mit Bleistift!
2. Stellen Sie für die Reaktion von Schwefelsäure und Wasser die StrukturGleichung auf!
Bei der Betrachtung der Basen entstehen Gleichungen, die anfänglich etwas verwirrend sind:
Natriumhydroxid:
-
Na+ + H2O + OH
NaOH + H2O
Beim ionischen Natriumhydroxid interagiert vor allem das Hydroxid-Ion aus dem KristallGitter mit dem teilweise positiv geladenen Wasserstoff-Atom aus dem Wasser-Molekül.
Das (Kristall-)Hydroxid-Ion entreißt dem Wasser-Molekül ein Wasserstoff-Ion und bildet
damit ein (neues) Wasser-Molekül. Vom ursprünglichen Wasser-Molekül bleibt ein (neugebildetes) Hydroxid-Ion übrig.
Magnesiumhydroxid:
-
Mg2+ + 2 OH
Mg(OH)2 + 2 H2O
+ 2 H2O
Wenn man sich aber das Reaktions-Verhalten genauer ansieht, dann ist Wasser was eingesetzt wird, nicht mit dem identisch, welches gebildet wird.
Der Ausgangsstoff Wasser reagiert mit den Hydroxid-Ionen aus der dissozierenden Base
und gibt an dieses ein Proton (Wasserstoff-Ion) ab. Das eingesetzte Wasser wird dabei zum
Hydroxid-Ion, welches unsere Lösung basisch macht.
-
Na+ + H2O + OH
NaOH + H2O
Nun bringt diese Schreibung aber keinen Vorteil, so dass man im Allgemeinen auf das
scheinbar zusätzliche Wasser verzichtet und bei der klassischen Schreibweise bleibt.
Schaut man aber genauer hin, dann stellen wir fest, dass nach BRÖNSTEDT nicht das Metall-Hydroxid die Base ist, sondern nur das enthaltene Hydroxid-Ion. Nur dieses hat die Fähigkeit ein Proton aufzunehmen.
Aber wir hatten ja noch das Ammoniak als Problem. Kann uns BRÖNSTED hier eine Lösung
anbieten? Beim Lösen von Ammoniak in Wasser erhalten wir nun auch endlichen einen
Stoff, der uns die Hydroxid-Ionen liefern kann.
Ammoniak:
-
NH4+ + OH
NH3 + H2O
Das partiell geladene Wasserstoff-Atom des Wassers wird besonders vom freien Elektronen-Päarchen des Stickstoff-Atoms aus dem Ammoniak-Molekül angezogen. Durch
die Übernahme des Wasserstoff-Ions auf das Ammoniak-Molekül entsteht das Ammonium-Ion und aus dem Wasser-Molekül wird ein Hydroxid-Ion.
Die Ionen können für sich wieder miteinander reagieren und die Ausgangs-Teilchen zurückbilden.
Somit ist die BRÖNSTED-Theorie der Säuren und Basen wirklich ein deutlicher Fortschritt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 68 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definieren wir nun die Säuren und Basen nach BRÖNSTED (1923). Säuren sind demnach
Stoffe, die in wässrigen Lösungen ein oder mehrere Proton(en) (Wasserstoff-Ion(en)) abgeben (Protonen-Spender, Protonen-Donatoren (lat.: donore … abgegeben)). Basen sind Stoffe, die
in wässriger Lösung ein oder mehrere Proton(en) (Wasserstoff-Ion(en)) aufnehmen (Protonen-Empfänger, Protonen-Akzeptoren (lat.: accetare ... aufnehmen)).
Johannes Nicolaus BRÖNSTED lebte von 1879 bis 1947. Der britische Forscher Thomas
LOWRY definierte zeitgleich und unabhängig die Säuren und Basen wie BRÖNSTED. Sein
Wirken ist aber ein wenig in den Hintergrund der Geschichte gerutscht.
Da bei den Reaktionen ein oder mehrere Proton(en) von einem Stoff zum nächsten übertragen werden, sprechen wir von einer Reaktion mit Protonen-Übergang oder auch einer
protolytischen Reaktion. Die Protonen können für sich nicht frei existieren. Deshalb ist eine
Protonen-Abgabe immer mit einer Protonen-Aufnahme verbunden. Eigentlich müsste man
sogar sagen, eine Protonen-Aufnahme ist immer mit einer –Abgabe verbunden. Der aufnehmende Stoff besitzt quasi Saug-Eigenschaften für Protonen. Wenn diese nicht da wären,
würde der andere Stoff die Protonen nicht von sich aus abgeben.
Das können wir mit den Teil-Reaktionen auch gut darstellen:
-
HCl
H+ + Cl
Protonen-Abgabe
H2O + H+
H3O+
Protonen-Aufnahme
Aus logischen Gründen schreiben wir eigentlich immer zuerst die abgebende Teil-Reaktion,
damit wir eben etwas zum Übertragen erhalten, und dann als Zweites die aufnehmende.
Fasst man beide Teil-Reaktionen zusammen:
______________________________________________
HCl + H2O + H+
H+ + Cl + H3O+
dann kann man die auf beiden Seiten vorkommenden Wasserstoff-Ionen herauskürzen:
-
HCl + H2O
Cl
+ H3O+
Im Ergebnis erhalten wir die schon bekannte BRÖNSTEDsche Gleichung der Salzsäure.
Wir wollen uns die Teil-Reaktionen noch einmal genauer ansehen und die Stoffe in Stoffklassen nach BRÖNSTED einteilen. Salzsäure ist als Protonen-Donator eine Säure und
Wasser der Akzeptor, also die Base.
-
HCl
Säure
H+ + Cl
Protonen-Abgabe
H2O + H+
Base
H3O+
Protonen-Aufnahme
Da die Reaktionen aber im Gleichgewicht, also hin und zurück ablaufen können, müssen wir
auch die Chlorid- und die Hydronium-Ionen zuordnen. Da das Chlorid-Ion ein Proton aufnehmen kann, ist es eine Base. Läuft die Protonen-Aufnahme rückwärts, dann ist das
Hydronium-Ion ein Protonen-Donator, also eine Säure. In einer chemischen Reaktion treten
Säure und Base immer als Paar auf (S-B-Paar, SBP).
HCl
Säure
H2O + H+
Base
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
-
H+ + Cl
Base
Protonenübergang
H3O+
Säure
- 69 -
Protonen-Abgabe (Lösung)
Säure-Base-Paar
Protonen-Aufnahme
Säure-Base-Paar
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Eine Säure und die abgleitete Base bilden ein zusammengehörendes Paar – das
korrospondierende Säure-Base-Paar (korrosp. S-B-Paar, kSBP).
In BRÖNSTED-Gleichungen haben wir also zwei Säuren und zwei Basen, die insgesamt
auch zwei Paare bilden. Zusammengehörende Säure-Base-Paare erhalten die gleichen Indizes:
________________________________________
HCl
+
H2O
H3O++
Cl
Säure1
Base2
Säure2 Base1 korrespondierende S-BPaare
Gesprochen werden die Säure-Base-Paare dann z.B. Säure 2 und Base 1 (Reaktions-Produkte).
Betrachten wir nun – der Einfachheit halber – die Säure- und Basen-Paare für eine Base in
Kurzform nur mit kurzen Überschriften:
-
Na+ + OH
NaOH + H2O
+ H2O
Teilreaktionen:
-
Na+ + OH
NaOH
H2O
Säure1
-
OH + H+
Base2
-
H+ + OH
Base1
Protonenübergang
H2O
Säure2
Dissoziation / Lösung
Protonen-Abgabe
korrosp. S-B-Paar 1
Protonen-Aufnahme
korrosp. S-B-Paar 2
Zusammenfassung:
_______________________________________________
NaOH + H2O
Na+ + OH + H2O
Base2
Säure1
Base1
Säure2
Die Reaktionen bei den Basen sehen immer etwas undurchsichtig und kompliziert aus. Man
muss sich dabei aber vergegenwärtigen, dass immer zwei "Arten" von Wasser-Moleküle auftreten. Einmal tritt Wasser als Ausgangsstoff auf und wird in Protonen (Wasserstoff-Ionen) und
Hydroxid-Ionen zerlegt. Daneben entsteht "neues" Wasser als Reaktions-Produkt aus Protonen und dem herausgelösten Hydroxid-Ionen.
Definition(en): Säure (BRÖNSTED)
Säuren sind Stoffe, die in wässrigen Lösungen Protonen (Wasserstoff-Ionen) abspalten.
Definition(en): Base (BRÖNSTED)
Basen sind Stoffe, die in wässrigen Lösungen Protonen (Wasserstoff-Ionen) aufnehmen.
Definition(en): korrespondierendes Säure-Base-Paar
Ein korrespondierendes (auch: konjugiertes) Säure-Base-Paar sind eine Säure und eine
Base, die durch Protolyse ineinander übergehen können.
Die Säure wird durch die Abgabe eines Proton (Wasserstoff-Ions) zu einer Base. Die Base wird durch die Aufnahme des Protons zur dazugehörigen Säure.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 70 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Im Allgemeinen ergibt sich nun folgendes Schema:
korrespondierendes Säure-Base-Paar 1
Säure1 + Base2
Base1 + Säure2
korrespondierendes Säure-Base-Paar 2
typische konjugierte Säure-Base-Paare
Anionen-Säure
HX
HX
+
z.B.:
HSO4 +
Neutralsäure
HX
HX
+
z.B.:
HCl
+
Kationen-Säure
HX+
HX+
+
z.B.:
NH4+ +
Anionen-Base
X
+
X
+
z.B.:
OH
+
Neutralbase
HX
+
HX
+
z.B.:
H2O
+
-
H2O
H+
H3O+
+
+
X2
X2
H2O
H3O+
+
SO42
H2O
H+
H3O+
+
+
X
X
H2O
H3O+
+
Cl
H2O
H+
H3O+
+
+
X
X
H2O
H3O+
+
NH3
H+
H2O
H2X
H2X
+
OH
H2O
H2O
+
OH
H+
H2O
H2X+
H2X+
+
OH
H2O
H3O+
+
OH
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 71 -
-
-
-
-
-
-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Kationen-Base
HX+
+
H+
HX+
+
H2O
z.B.:
[Fe(OH)(H2O)5]2+ + H2O
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
H2X2+
H2X2+
+
-
OH
-
[Fe(H2O)6 ]3+ + OH
- 72 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.4. Autoprotolyse des Wassers
Dem aufmerksamen Leser ist nun sicher auch schon aufgefallen, dass Wasser mal als Säure und mal als Base diente. Wenn das so gehen soll, dann müsste Wasser auch mit sich
selbst reagieren können. Denn woher soll das eine Wasser-Molekül "wissen", was an der
gegenüberliegenden Seite des anderen Wasser (Reaktionspartner) für ein Rest angebunden
ist?
Probieren wir also mal die Reaktion von Wasser mit sich selbst:
H2O
+
H3O+
H2O
-
+
OH
Teilreaktionen:
H2O
Säure1
H2O + H+
Base2
-
H+ + OH
Base1
Protonenübergang
H3O+
Säure2
Protonen-Abgabe
korrosp. S-B-Paar 1
Protonen-Aufnahme
korrosp. S-B-Paar 2
Zusammenfassung:
________________________________________
H2O
+
H2O
H3O+ + OH
Säure1
Base2
Säure2
Base1
Die Reaktion von Wasser mit sich selbst nennen wir Autoprotolyse. Da Wasser sowohl als
Base als auch als Säure reagieren kann, ist ein sogenanntes Ampholyt ( amphis .. griech.: auf
beiden Seiten; lysis .. griech.: Auflösung).
Mit radioaktivem Wasser, welches Deuterium (2H) und O-18-Atome (18O) enthält, kann man
eine andere Wasser-Probe untersuchen. Dabei kann man nachweisen, dass es wirklich zu
ständigen Protonen-Übergängen zwischen den Wasser-Molekülen kommt. Nach kurzer Zeit
findet man nämlich Deuterium an normalen Sauerstoff-Atomen und an den O-18-Atomen die
einfachen Wasserstoff-Atome.
Das die Hydroxid- und die Hydronium-Ionen wirklich im Wasser vorkommen, kann man
durch eine Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit testen. Wären die Wasser-Moleküle nur als
nach außen neutrale Teilchen vorhanden, dann müsste die Leitfähigkeit gleich null sein.
Praktisch messen wir aber eine Leitfähigkeit von 5 µS/m (S .. SIEMENS; andere Einheiten: 1/(Ω
-1
-1
-1
-1
m) = Ω m = A/(V m) = A V m ) auch in sehr reinem Wasser (demineralisiert bzw. destilliert). Dies ist
ein recht gutes Ergebnis für ionische Lösungen (Elektrolyte). Im Vergleich zu metallischen
Leitern (Leiter 1. Klasse) sind ionische Lösungen immer schlechter leitend (Leiter 2. Klasse).
Dies liegt vorrangig an den großen geladenen Teilchen (gelöste Ionen), die nun im elektrischen Feld wandern müssen. Im Metall können sich die winzigen Elektronen im fast leeren
Raum zwischen den Atom-Kernen natürlich wesentlich besser bewegen.
Im reinen Wasser kommt es bei rund 600.000.000 Molekülen ein einziges Mal zur Autoprotolyse. Die exakte Anzahl wird mit 555.600.000 Molekülen angegeben.
Das chemische Gleichgewicht ist also eindeutig in Richtung Ausgangs-Stoffe verlagert:
-
H3O+ + OH
H2O + H2O
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 73 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Berechnen Sie exakt, wieviele Umsätze es bei einem Mol Wasser zu einem
Zeitpunkt geben müsste!
für die gehobene Anspruchsebene:
2. Wieviele Wasser-Moleküle liegen in einem Liter Wasser dissoziiert vor?
Die Autoprotolyse scheint eine relativ seltene Reaktion zu sein. Sie kann kaum als Ursache
für die vielen besonderen Eigenschaften des Wassers dienen. Einige dieser Eigenschaften
sind so besonders, dass man sie als Anomalien erfasst. Hier seien nur die ungewöhnlichen
Schmelz- und Siedepunkte des Wassers oder auch die Dichte-Anomalie bei -4 °C genannt.
Sie haben im Wesentlichen einen anderen Grund. Wasser bildet bei der "Reaktion" mit sich
selbst sogenannte Wasserstoff-Brücken aus. Dabei teilen sich zwei Wasser-Moleküle zeitweilig ein Wasserstoff-Atom. Dieses schwebt gewissermaßen zwischen den SauerstoffAtomen. Diese Brücken werden sehr häufig ausgebildet. Manchmal wird das WasserstoffAtom dann stärker vom fremden Sauerstoff-Atom angezogen und es bilden sich die
Hydronium- und Hydroxid-Ionen ( Autoprotolyse). Das Brücken-Wasserstoff-Atom kann
aber auch wieder zu seinem ursprünglichen Sauerstoff-Atom zurückwandern und es bilden
sich die beiden Wasser-Moleküle zurück. Im nächsten Augenblick interagiert dieses oder das
andere Wasserstoff-Atom mit einem anderen Wasser-Molekül. So bildet sich ein höchst dynamisches Netzwerk sich ständig neu verbindender Wasser-Moleküle.
Wasserstoff-Brücken-Bindung
Aufgaben:
1. Skizzieren Sie obige Gleichung in vollständiger LEWIS-Schreibweise!
für die gehobene Anspruchsebene:
2. Finden Sie weitere Anomalien des Wassers! Erläutern Sie diese jeweils
kurz!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 74 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.5. Neutralisation
Definition(en): Neutralisation (ARRHENIUS)
Eine Neutralisation ist die chemische Reaktion, bei der sich Wasserstoff-Ionen (einer Säure)
mit den Hydroxid-Ionen (einer Base) stöchiometrisch vereinen.
Dabei wird sowohl die saure als auch die basische Wirkung aufgehoben / neutralisiert.
HCl + NaOH
NaCl + H2O
Teilreaktionen:
-
Na+ + OH
NaOH
-
HCl
Säure1
-
OH + H+
Base2
Dissoziation / Lösung
H+ + Cl
Base1
Protonenübergang
H2O
Säure2
Protonen-Abgabe (#)
korrosp. S-B-Paar 1
Na+ + H2O
Säure2
Protonen-Aufnahme (#)
Protonen-Aufnahme
korrosp. S-B-Paar 2
bzw. mit dem Base-Rest:
-
Na+ + OH + H+
Base2
Zusammenfassung: (der Teilreaktionen mit #)
______________________________________________________________
HCl + Na+ + OH + H+
H+ + Cl + Na+ + H2O
Säure1
Base2
Base1
Säure2
nach dem Kürzen und Zusammenfassen der Ionen zu Stoffen:
HCl + NaOH
Säure1
Base2
NaCl + H2O
Base1
Säure2
und als allg. Schema:
Säure
Base
Salz
Wasser
Der Kern dieser Reaktion (einer phänomenologischen Säure und Base (nach ARRHENIUS)) ist die Addition von Hydroxid- und Wasserstoff-Ion:
-
OH
+ H+
H2O
Die Teilchen, die unsere Ausgangsstoffe phänomenologisch zu Säure und Base machten
löschen sich gegenseitig aus. Aus einen saurem und einem basischen Teilchen wird ein
neutrales. Wir sprechen hier deshalb von einer Neutralisation.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 75 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Stellen wir uns die Protonen an Wasser gebunden vor, dann kommen wir zu unserer AutoProtolyse-Gleichung des Wassers zurück – nur in der umgedrehten Schreibweise:
-
OH + H3O+
Base2 Säure1
H2O + H2O
Säure2
Base1
Definition(en): Neutralisation (BRÖNSTED)
Neutralisationen sind chemische Reaktionen (Säure-Base-Reaktionen),
Hydronium-Ionen Protonen an Hydroxid-Ionen abgeben.
bei
denen
Das Gleichgewicht ist praktisch sehr stark zum Wasser hin verschoben. Die ungefähren Zahlen-Verhältnisse für die einzelnen Teilchen haben wir ja schon gekennzeichnet.
-
OH
+ H3O+
H2O + H2O
quantitative Betrachtung der Neutralisation
Nun kann man chemische Gleichungen als exakte quantitative Systeme betrachten. Dabei
sind zwei unterschiedliche Interpretationen / Les-Arten einer chemischen Gleichung zulässig.
Wenn wir bei der obigen Ausgangsgleichung bleiben, dann sind dies:
Ein Teilchen Chlorwasserstoff reagiert mit einer Baueinheit Natriumhydroxid zu
einer Baueinheit Natriumchlorid und einem Molekül Wasser.
bzw. (in der Stoffmengen-Betrachtung):
Ein Mol Chlorwasserstoff reagiert mit einem Mol Natriumhydroxid zu einem Mol
Natriumchlorid und einem Mol Wasser.
In beiden Fällen sind die Stoffmengen-Angaben – egal ob als
Teilchen-Anzahl oder als Stoffmenge – immer äquivalent zueinander. Das setzt sich über die Teil-Reaktionen bis zu den
Gesamt-Gleichungen fort, die jeweils ausgewählte Details
einer Reaktion darstellen.
Damit z.B. die Säure vollständig neutralisiert wird, müssen
alle Hydronium-Ionen mit einem Hydroxid-Ion reagieren können. Nur dann haben wir am Ende eine neutrale Situation.
Die Äquivalenz der verschiedenen Stoffmengen kann man
nun z.B. auch zur Berechnung von unbekannten Größen benutzen. Es gilt:
-
n [H3O+] = n [OH ]
Liegen z.B. in einer Probe 1.000.000 Hydronium-Ionen vor,
dann benötigt man genau 1.000.000 Hydroxid-Ionen zur
Neutralisation. Dabei ist es egal, wie konzentriert die EinzelLösungen sind. Ob sich die 1 Mill. Hydronium-Ionen in einem
oder z.B. zwei Liter verteilen, ist praktisch egal. Es wird nur
etwas länger dauern, bis die 1 Mill. Hydroxid-Ionen endlich
ihren Partner für eine Neutralisation finden werden.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 76 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Methode: Aufstellen von Neutralisations-Gleichungen
z.B. Neutralisation von Aluminiumhydroxid mit Schwefelsäure
Notieren der Wort-Gleichung (aus der Aufgabe heraus)
| Aluminiumhydroxid + Schwefelsäure
Wasser |
(wegen "Neutralisation")
Heraussuchen der Formeln für die Verbindungen ( Tabellen, ev. selbst Aufstellen)
| Al(OH)3 + H2SO4
H2O |
Aufstellen der einfachen Dissoziation-Gleichungen (um die Wertigkeit der Säure bzw. Base
zu ermitteln)
-
Al3+ + 3 OH
2 H+ + SO42
Al(OH)3
H2SO4
 3-wertige Base
 2-wertige Säure
Ermitteln der Faktoren für die Stoffe über das Kleinste gemeinsame Vielfache (KGV)
3
2*3
*
=
2
3*2
=
=
6 (KGV)
6
Benutzen der Faktoren für die Dissoziations-Gleichungen
2 Al(OH)3
3 H2SO4
-
2 Al3+ + 6 OH
6 H+ + 3 SO42
Zusammenfassen der beiden Dissoziations-Gleichungen
______________________________________________________________
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
2 Al3+ + 6 OH + 6 H+ + 3 SO42
"Durchführen" der Neutralisation (Zusammenfassen von Wasserstoff- und Hydroxid-Ionen)
-
6 OH
+ 6 H+
6 H2O
Ersetzen der neutralisierten Ionen durch das Wasser
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
-
2 Al3+ + 6 H2O + 3 SO42
fertig!
Al2(SO4)3 + 6 H2O
fertig!
ev. Aufstellen der Stoff-Gleichung:
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 77 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Der Zusatz eines Indikators vereinfacht die Beobachtung und
das Finden des sogenannten Äquivalenz-Punktes. An diesem Punkt ist die Neutralisation vollständig.
Für genaue quantitative Untersuchungen benötigt man von
einer Lösung (Säure oder Base) genaue Inhaltsangaben. Mittels vorgefertigter Ampullen kann man sich im Labor definierte Lösungen mit Konzentration von z.B. 0,1 oder 1,0 mol/l
Säure bzw. Base herstellen.
Nehmen wir z.B. mal an in einer Wasserprobe befindet eine
unbekannte Menge Base. Von der Probe steht uns ein Liter
zur Verfügung. Wir wollen nun wissen, wie groß die Menge
(Stoffmenge od. Konzentration) an Hydroxid-Ionen in der
Probe ist.
Nun könnte man aus einem Gefäß mit einer genauen Maß-Einteilung (z.B. Standzylinder)
nach und nach etwas von einer definierten Säure in die Probe kippen. Damit wir den Äquivalenz-Punkt beobachten können, geben wir zur Probe einige Tropfen Indikator dazu. Nach
und nach wird sich durch das Hinzufügen der Säure, die Probe von blau nach grün verfärben. In dem Augenblick, wenn der Indikator in der Probe eine grüne Farbe annimmt, wird
das zugekippte Volumen der definierten Säure exakt erfasst. Nehmen wir an, wir hätten 127
ml einer 1 M-Lösung (1M = 1 mol/l) verbraucht, dann können wir über die Formel:
c .. Konzentration [mol/l]
n .. Stoffmenge [mol]
V .. Volumen [l]
sehr einfach die Stoffmenge für die eingesetzten Hydronium-Ionen berechnen:
Umstellen nach n
Anwenden auf einen Stoff
Einsetzen der bekannten Werte
Berechnen mit
Kürzen der Einheiten
Da definitionsgemäß die Äquivalenz erfüllt sein muss:
-
n [H3O+] = n [OH ]
können wir auf eine Konzentration der Hydroxid-Ionen von ebenfalls 0,127 mol schließen.
In der Praxis geht man allerdings etwas anders vor. Zum Einen möchte man die Untersuchung statistisch sichern. Da die Proben-Menge meist irgendwie begrenzt ist, bleibt nur eine
Teilung in kleine Proben. Soll z.B. eine 1-Liter-Probe in Teil-Proben a 200 ml geteilt werden,
dann sind praktisch nur 4 Proben nutzbar. Der Rest der 1-Liter-Probe ist selten noch genau
die 200 ml, die theoretisch übrigbleiben müssten. Da ist irgendwo ein Tropfen danebengegangen oder hängt noch in einem Gefäß, dem Trichter usw. Somit erhält man praktisch immer eine Teil-Probe weniger, als theoretisch möglich wäre.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 78 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Die Teilung der Probe ermöglicht es uns
auch einem zweiten Problem aus dem
Weg zu gehen, nämlich einer versehentlichen Total-Zerstörung des ProbenMaterials schon mit dem ersten MeßVorgang. Aus Erfahrung wissen wir,
dass der erste Versuch nicht immer
gleich auch der Beste ist. Geräte müssen sich erst warmlaufen, Laboranten
müssen sich auf neue Geräte und Proben-Mengen einstellen. Deshalb wird der
erste Versuch nur zur Orientierung genutzt. Je nachdem in viele Teil-Proben
man nun seine Haupt-Probe geteilt hat,
kann man nun noch drei- oder acht-mal
messen. Dies reicht dann auch für eine
einfache statistische Auswertung.
Am Ende darf man dann nur nicht vergessen, den Mittelwert noch mit dem
Proben-Teiler zu multiplizieren, damit
man das Rechen-Ergebnis zur HauptProbe passt.
Für die Messung verwendet man auch
wesentlich genaue Glas-Geräte, als z.B
Standzylinder. Für solche Maß-Analysen
werden zumeist sogenannte Büretten
genutzt.
Für unsere angenommene Probe von oben könnten die Meß-Ergebnisse ungefähr so ausgesehen haben:
Volumen der Probe:
Proben-Teiler:
Volumen der Teil-Proben:
Proben-Nr.
Meß-Ergebnis
1l
5
200 ml = 0,2 l
1 (Vor-Probe)
25,8 ml
Durchschnitt:
multipliziert mit Proben-Teiler  Ergebnis:
2
25,4 ml
3
25,3 ml
25,4 ml
4
25,5 ml
5
127 ml
Man könnte natürlich auch jede Probe die Stoffmenge einzeln berechnen und am Schluss
dann den Mittelwert und das Produkt berechnen. Die Erfahrung sagt, wenn man die Messwerte frühzeitig zusammenfasst (mittelt), dann reduziert sich der restliche Rechen-Aufwand
meist beträchtlich.
Eine etwas ausführlichere Darstellung der Methode ist auch noch mal im Kapitel Stöchiometrie zu finden ( 6. Stöchiometrie).
Bei mehrwertigen Säuren treten für die einzelnen Stufen eigenständige Neutralisationen auf.
Besonders gut kann man diese bei Titrationen beobachten, die mit technischen Mitteln verfolgt werden ( Titration).
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 79 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Eine Liter-Probe (KOH) wurde von einem Labor-Anfänger in 200 ml-TeilProben zerlegt und die folgenden Meßwerte aufgenommen:
35,2 ml; 32,2 ml; 32,0 ml; 32,1 ml; 29,1 ml
2.
Als Maß-Lösung kam eine 1 M HCl-Lösung zum Einsatz. Werten Sie die
Meßwerte exakt aus und geben Sie die Stoffmenge KOH an!
Exkurs: Regeln zum Aufstellen der Namen für Salze
1. zuerst wird der Name des Metalls aus dem Hydroxid (z.B. Magnesium) bzw. der basische
Teil einer nichtmetallischen Base (z.B. Ammonium) genannt
2. es folgt der Name des Säure-Restes
2a) Sauerstoff-freie Säure-Reste erhalten die Endung –id (z.B. –chlorid (Cl ))
2b) Sauerstoff-reiche Säure-Reste erhalten die Endung –at (z.B. –sulfat (SO42 ))
2c) Sauerstoff-ärmere Säure-Reste erhalten die Endung –it (z.B. sulfit (SO32 ))
2d) Wasserstoff im Säure-Rest (bei noch nicht vollständig dissoziierten Säuren) werden durch die
Zwischen-Silbe –hydrogen– gekennzeichnet (z.B. hydrogensulfat (HSO4 ))
bei Bedarf wird die Anzahl der Wasserstoff-Atome in Zahlwörtern vor die Zwischen-Silbe
hinzugefügt (z.B. zwei -di-; drei -tri-)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 80 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.6. Welche Reaktionen sind den nun genau Säure-Base-Reaktionen?
Für uns zählt hier natürlich das Säure-Base-Konzept von BRÖNSTEDT. Die Ansichten von
ARRHENIUS können hier natürlich mit einfließen. Bei einfachen (offensichtlichen) SäureBase-Reaktionen kann man dieses Konzept zur schnellen Abarbeitung einer Aufgabe oder
eines Problems benutzen. Universeller und wissenschaftlicher geht's mit BRÖNSTEDT.
Bei der Prüfung, ob eine Reaktion ein Säure-Base-System darstellt, kann man mit einigen
Vortests beginnen. Da spart man sich u.U. die aufwendige Suche nach den Teil-Reaktionen
und den Säure-Base-Paaren.
Vortests:
? Gibt es überhaupt Wasserstoff (, der zum Proton werden kann) in der Gleichung /
Reaktion?
Für eine Säure-Base-Reaktion ist Wasserstoff, der als Proton zwischen zwei Stoffen übertragen wird eine notwendige Voraussetzung (siehe Def.). Alle Reaktionen, die keinen Wasserstoff enthalten, fallen schon durch die Vorprüfung.
Fe + S
FeS
keine Säure-Base-Reaktion, da es überhaupt
keinen Wasserstoff in dieser Gleichung gibt (praktisch
ist es eine Redox-Reaktion)
? Findet die Reaktion im wässrigen Milieu statt?
Deutliche Zeichen hierfür sind die Aggregatszustand- bzw. Milieu-Angaben, die in den chemischen Gleichungen gemacht werden. Da könnte zum Ersten Wasser als Ausgangsstoff
oder Reaktionsprodukt auftauchen. Als zweite Möglichkeit bietet sich die Angabe von (aq) für
aquatisiert als Zusatzangabe an chemischen Formeln an. Eine weitere Stelle, wo man nach
Wasser suchen kann, ist der Reaktions-Pfeil. Steht da zum z.B. Wasser dran, dann kann
man von einer allgegenwärtigen Anwesenheit von Wasser ausgehen.
Reine Feststoff- oder Gas-Reaktionen (zu erkennen an (s) für solid bzw. (g) für gaesic) werden mit ziemlich großer Sicherheit keine Säure-Base-Vorgänge sein. Reaktionen mit flüssigen Stoffen (gekennzeichnet durch (f) für fluid) sind immer ein bisschen Säure-Baseverdächtig.
? Wandert der Wasserstoff zwischen den Ausgangsstoffen hin und her?
Gerade in organischen Stoffen kommt Wasserstoff in rauen Mengen vor. Trotzdem finden wir
hier relativ wenige S-B-Reaktionen. Wasserstoff ist hier Struktur-Element und in den meisten
Fällen in einer Atom-Bindungs-ähnlichen Situation gebunden. Die Polarität der CohlenstoffWasserstoff-Bindung ist so gering, dass eine Abspaltung eines Protons nur selten möglich
ist.
Man kann sich ev. merken, dass die Carbon-Säuren z.B. sehr typische Säuren sind. Alkohole können schwach sauer reagieren. In beiden Fällen gilt das besonders für kurzkettige / niedermolekulare Vertreter. Als mögliche Basen kommen z.B. viele organische StickstoffVerbindungen in Frage.
? Gibt es namentlich Säuren und / oder Basen, die miteinander reagieren?
Tauchen Säuren, Basen und / oder Salze bei den Stoffnamen auf, dann sollte man gründlich
weiter prüfen ( Haupttest). In vielen Fällen sind Säure-Base-Reaktionen so schnell zu erkennen. Besonders, wenn Säure und Base gemeinsam auf einer Seite oder getrennt auf
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 81 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
beiden Seiten der Reaktions-Gleichung auftauchen, dann ist eine S-B-Reaktion sehr wahrscheinlich.
Besonders gründlich muss man Reaktionen weiterprüfen, die z.B. Salze enthalten. Oft verstecken sich hier Säure-Base-Reaktionen z.B. hinter einer phänomenologischen FällungsReaktion.
? Ändern sich Oxidationszahlen während der Reaktion?
Warum dieser Sachverhalt sehr gut geeignet ist, eine Säure-Base-Reaktion auszuschließen,
werden wir erst im nächsten Kapitel kennen lernen. Hier sei erst einmal nur darauf hingewiesen, dass es sich bei Änderungen der Oxidationszahlen nicht um eine Säure-Base-Reaktion
handelt.
Haupttest(s):
? Sind es Protonen, die zwischen den Ausgangsstoffen ausgetauscht werden?
? Gibt es Protonen-Abgabe und –Aufnahme?
Haben die Vortests eine gewisse Wahrscheinlichkeit für eine Säure-Base-Reaktion ergeben,
dann prüfen wir nun genau. Wir suchen zuerst einen Stoff, der Protonen abgeben könnte.
Ev. sollte man mehrere Stoffe prüfen. Was nicht passt oder funktioniert, wird dann weggestrichen.
Mit der Abgabe von Protonen ist zwangsläufig auch eine Aufnahme verbunden. Hier muss
u.U. etwas gründlicher gesucht werden. Wir haben ja schon bei den Basen gesehen, dass
die eigentliche Reaktion durch die IUPAC-Regeln zur Gleichungs-Schreibung untergeht
(Streichung von Wasser auf beiden Seiten der Reaktion, obwohl es sich um unterschiedliche Moleküle handelt ).
Manchmal muß man also erst einmal z.B. Wasser hinzugeben (wir arbeiten ja schließlich im
wässrigen Mileu), um ein vollständiges Gleichungs-System konstruieren zu können.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 82 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Untersuchen Sie bei den folgenden chemischen Reaktionen, ob es sich jeweils um eine Säure-Base-Reaktion handelt! Stellen Sie bei Säure-BaseReaktionen die Teil-Gleichung und die Gesamt-Gleichung / Säure-BaseGleichung auf! Beschriften Sie passend Säure, Base, Protonen-Aufnahme
und –Abgabe und die korrespondierenden Säure-Base-Paare!
Sollte es sich nicht um eine Säure-Base-Reaktion handeln, dann begründen
Sie Ihre Meinung!
a)
b)
c)
d)
e)
f)
H2SO4 + ZnO
H2SO4 + Ba(OH)2
2 Na + Cl2
NaOH + HBr
CaO + H2O
Ba(OH)2 + Na2SO4
ZnSO4 + H2O
BaSO4  + 2 H2O
2 NaCl
H2O + NaBr
Ca(OH) 2
BaSO4  + 2 NaOH
a)
b)
c)
d)
e)
Reaktion von Schwefelsäure mit Magnesiumoxid
Reaktion von Salzsäure mit Aluminiumhydroxid
Reaktion von Calciumoxid mit Wasser
Reaktion von Calciumcarbonat mit Salzsäure unter Bildung von Cohlendioxid
Calciumcarbonat (z.B. Kesselstein) wird unter Zugabe von Cohlendioxid als Calciumhydrogencarbonat in Wasser gelöst
2. Prüfen Sie für die folgenden chemischen Reaktionen, ob es sich jeweils um
eine Reaktion mit Protonen-Übergang handelt! Geben Sie das vollständige
Gleichungs-Gebilde mit allen Benennungen an!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 83 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.1.7. Weiterentwicklung der Säure-Base-Konzepte
Die Säure-Base-Konzepte wurden nach BRÖNSTED immer noch weiterentwickelt. Heute
kennen wir auch sogenannte LEWIS-Säuren und –Basen. Das Säure-Base-Konzept von
LEWIS kommt ohne Protonen-Übergänge aus und beruht auf den "urchemischen" Elektronen. Eine LEWIS-Säure ist ein Stoff, der Elektronen-Paare akzeptiert, also anlagert. LEWISSäuren sind somit immer elektrophil (Elektronen-liebend).
Stoffe, die Elektronen-Paare abgeben (donieren) können, sind LEWIS-Basen. Sie sind eher
elektrophob (Elektronen-feindlich).
Bei der Reaktion von LEWIS-Säuren und –Basen bilden sich zwischen den Partner zumeist
kovalente Bindungen (Atom-Bindungen (ev. polar)) aus. Das Säure-Base-Konzept von LEWIS spielt aber für biologische oder trophologische Inhalte praktisch keine Rolle. Es ist ein
Versuch in die "Chemie" der Bindungen tiefer einzudringen und das Wesen bestimmter Reaktionen tiefgehender zu erfassen.
5.4.1.1.8. die Stärke von Säuren und Basen
Die üblichen mineralischen Säuren (wie z.B. Salzsäure, Schwefelsäure,…) gelten als recht
starke Säuren. Anderen Säuren, die uns z.B. aus dem Lebensmittel-Bereich bekannt sind,
wie z.B. Essigsäure, Apfelsäure usw. usf., gelten eher als schwache Säuren.
Wir haben ja gesehen, dass eigentlich nur die Hydronium-Ionen für den Säure-Charakter
verantwortlich sind. Also werden sie wohl auch dafür verantwortlich sein, wie stark oder
schwach die eine oder andere Säure ist. Praktisch ist es einfach die Menge an gebildeten
Hydronium-Ionen, welche die Stärke einer Säure bestimmt. Gibt eine Säure viele HydroniumIonen ab, dann ist sie stark, kann sie nur wenige abgeben, ist sie dementsprechend
schwach.
Nun könnte man einwenden, dass man einfach mehr von der schwachen Säure nehmen
muss, und schon hat man durch die mehr gebildeten Hydronium-Ionen auch gleich eine starke Säure. Ganz so einfach ist es nicht. Zum Einen handelt es sich um Gleichgewichte, die
sich jeweils immer wieder neu einstellen und zum Anderen – und das ist besonders entscheidend – die Fähigkeit einer schwachen Säure, sich von seinen Hydronium-Ionen zu
trennen ist um 10er Potenzen geringer, als bei einer starken Säure. Mehr dazu auch im
nächsten Kapitel ( pH-Wert).
Salzsäure:
HCl
Essigsäure:
CH3-COOH + H2O
-
H3O+ + Cl
+ H2O
H3O+ + CH3-COO
-
Während also bei der Salzsäure das chemische Gleichgewicht zur Seite der ReaktionsProdukte verschoben ist, liegt es bei der Essigsäure auf der Seite der Ausgangsstoffe.
Starke Säuren dissoziieren (fast) vollständig, d.h. man findet kaum undissoziierte Teilchen
vor. Dagegen sind bei schwachen Säuren die weitaus größte Anzahl der Teilchen im
undissoziierten Zustand. Nur wenige sind mit Wasser in eine Protolyse eingegangen.
Als nächsten Einwand könnte man noch einbringen, dass man dann einfach mehrwertige
Säuren verwenden könnte. Aber auch hier liegt der Teufel im Detail. Die Protolyse läuft ja bei
diesen Säuren mehrstufig ab. Für jede dieser Stufen stellt sich ein spezifisches Gleichgewicht ein. Meist ist die erste Protolyse-Stufe noch sehr stark ausgebildet. Die nachfolgenden
Stufen sind immer schwächer. Bei manchen Säuren sind die letzten Stufen dann so schwach
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 84 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
sauer, dass man sie schon den basischen Reaktionen zuordnen muss. Praktisch binden sie
Wasserstoff-Ionen und bewirken dadurch die Bildung von zusätzlichen Hydroxid-Ionen.
Schwefelsäure:
-
H3O+ + HSO4
H2SO4 + H2O
-
-
HSO4 + H2O
H3O+ + SO42
___________________________________________
-
2 H3O+ + SO42
H2SO4 + 2 H2O
Die Zwischenstufe (hier: Hydrogensulfat) fungiert als Ampholyt. Es kann also sowohl als Base reagieren (Rück-Reaktion der obersten Teil-Gleichung) als auch wie eine Säure (HinReaktion der zweiten Teil-Gleichung). Je nach Angebot an Ionen bzw. Molekülen stellt sich
das Gleichgewicht jeweils neu ein. Bei der Betrachtung der chemischen Gleichgewichte und
deren Beeinflussungs-Möglichkeiten haben wir ja auch schon gezeigt, dass es ohne weiteres
ausreicht, nur eine Teilchen-Art zu vermehren oder zu verringern. In jedem Fall stellt sich
das Gleichgewicht so ein, dass es der entsprechenden äußeren Beeinflussung ausweicht.
Werden also bestimmte Teilchen hinzugefügt, dann reagiert das Gleichgewicht so, dass
vermehrt diese Teilchen umgewandelt werden. Eine Verringerung würde die Nachbildung
verstärken.
Phosphorsäure:
-
H3O+ + H2PO4
H3PO4 + H2O
-
H2PO4
-
H3O+ + HPO42
+ H2O
-
-
HPO42 + H2O
H3O+ + PO43
___________________________________________
-
3 H3O+ + PO43
H3PO4 + 3 H2O
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 85 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
HClO3
ClO3
H2SO3
HSO3
-
HF
H2CO3
HCO3
CH3-COOH
CH3-COO
[Fe(OH)(H2O)5]2+
SO32
-
H2PO4
HClO
-
HCO3
H2O2
-
-
-
HS
HPO42
ClO
NH3
H3SiO4
-
CO32
HO2
-
HS
HPO42
[Na(H2O)6]+
H2O
S2
PO43
[Na(OH)(H2O)5]
NH3
NH2-
-
OH
mittelstark
[Al(H2O)6]3+
HSO3
H2S
schwach
-
stark
stark
mittelstark
-
SO42
H2PO4[Fe(OH)(H2O)5]2+
NO2
F
HSO4
H3PO4
[Fe(H2O)6]3+
HNO2
NH4+
H4SiO4
schwach
sehr schwach
H3O+
HNO3
-
sehr schwach
-
Cl
HSO4
H2O
NO3
-
OH
-
O2
sehr
stark
HCl
H2SO4
strärker
als OH
sehr
stark
stärker
als
+
H3O
Relative Stärke von BRÖNSTED-Säure-BasePaaren
korrespondierende
Säure
Base
HClO4
ClO4
Daten-Q: /19, S. 204f/
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 86 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.2. der pH-Wert
In sauren Lösungen kann man für die Hydronium-Ionen Konzentrationen von 10-7 bis hoch
zu 100 mol/l messen. Bei Basen liegen die Konzentrationen der Hydronium -Ionen im Bereich
zwischen 10-7 und 10-14 mol/l. Solche Zahlen sind sehr unhandlich und intuitiv wenig vorstellbar. Zur Vereinfachung der Beschreibung von sauren, neutralen und basischen Lösungen
wird heute fast ausschließlich der pH-Wert genutzt. Seine Zahlen variieren üblicherweise
zwischen 0 und 14. Mit einem pH-Wert von 7 beschreiben wir neutrale Lösungen. Saure Lösungen haben einen pH-Wert zwischen 0 und 7. Lösungen mit einem pH-Wert im Bereich
von 7 bis 14 werden als basisch bezeichnet.
Der pH-Wert ist eine direkte Umschreibung der Konzentration der Hydronium-Ionen. Die Berechnungs-Formel lautet:
oder auch:
Definition(en): pH-Wert
Der pH-Wert (pondus Hydrogenius = Kraft des Wasserstoffs) ist der negative dekadische
Logarithmus der Aktivität (ersatzweise: Konzentration) der Wasserstoff-Ionen (HydroniumIonen).
Die Berechnung des Wasserstoff-Ionen-Konzentration erfolgt über die Umkehrfunktion:
Aufgaben:
1. Informieren Sie sich, was der Logarithmus überhaupt ist! Wofür lässt er sich
sonst noch einsetzen bzw. wofür wird es noch gebraucht?
2. Lesen Sie ev. in der Bedienungsanleitung zu Ihrem Taschenrechner nach,
wie man damit den (dekadischen) Logarithmus berechnet!
3. Stellen Sie eine Tastenfolge zusammen, mit der Sie den negativen dekadischen Logarithmus von einer eingegebenen Zahl berechnen können!
4. Berechnen Sie die zugehörigen pH-Werte!
a) 0,001 mol/l
d) 0,0745 mol/l
b) 0,000.000.1 mol/l
e) 0,2 mol/l
c) 1,0*10-12 mol/l
f) 3,5*10-6 mol/l
5. Übernehmen Sie die Tabelle und berechnen Sie die fehlenden Werte in der
Tabelle!
c[H3O+] [mol/l]
pH
Anzahl Hydronium-Ionen in
einem Liter
Stoffmenge
der
Hydronium-Ionen
pro Liter [mol]
Verhältnis nichtdissoziierter zu dissoziierter
Wasser-Moleküle
7,0
1,0*10-5
0,0068
100.000.000
2,0*10-8
12,4
1 : 1.000.000.000
-9
4,5*10
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 87 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Konzentration der
Protonen [mol/l]
100 = 1
10-1 = 0,1
10-2 = 0,01
10-3 = 0,001
10-4 = 0,000.1
10-5 = 0,000.001
10-6 = 0,000.000.1
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
pHWert
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Säure / Stoff
typischer
pH-Wert
Bier
Blut
Butter
4,0 – 5,0
7,35 – 7,45
6,1 – 6,4
Frischmilch
Base / Stoff
typischer
pH-Wert
Darmsaft (Zwölffingerdarm)
8,3
Meerwasser
8,3
6,5
Harn
5,5 – 6,5
Kartoffeln
Käse
Kuh-Milch
5,6 – 6,0
4,8 – 6,4
6,3 – 6,6
Limonade
2,0 – 3,0
Magensaft
0,9 – 1,5
Orangen-Saft
3,0 – 4,0
Sauerkraut-Saft
Sauermilch
Selter-Wasser (CO2-ges.)
Speichel
3,4 – 3,6
4,4
3,8
6,7
Tomaten-Saft
4,0 – 4,4
Urin
4,8 – 8,4
Wein
Weinessig
2,8 – 3,8
2,3 – 2,6
Zitronensaft
2,0 – 2,5
Salmiak-Geist (Ammoniak-Lsg.)
Seifenlösung
Soda-Lösung
Trink-Wasser
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
pOHWert
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Interpretation / Farbe des UniverUmschreibung
sal-Indikators
extrem sauer
stark sauer
stark sauer
mäßig sauer
mäßig sauer
schwach sauer
schwach sauer
neutral
grün
schwach basisch
schwach basisch
mäßig basisch
mäßig basisch
stark basisch
stark basisch
extrem basisch
- 88 -
11,0 – 11,5
10,0 – 11,0
11,2 – 11,7
6,5 – 8,0
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
pHWert
Farbe des Rotkohl-Saftes
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
rot
rot-violett
violett
blau-violett
blau
blau-gün
grün
(grün-)gelb
Rotkohl-Saft bei verschiedenen pH-Werten
Q: de.wikipedia.org (Supermartl)
Aufgaben:
1. Skizzieren Sie sich eine pH-Skala vertikal (von oben nach unten)! Tragen
Sie in diese Skala die Stoffe aus der Säure/Base-Tabelle (vorherige Seite)
ein! Bei pH-Bereichen verwenden Sie den Mittelwert!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 89 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Herstellung von Rotkohl-Saft als einfacher Säure-Base-Indikator
Hinweise:
Säuren und Basen sind im Allgemeinen ätzend!
Materialien / Geräte:
frischer Rotkohl, Kochtopf, Filter mit Papier-Filter (z.B. Kaffee-Maschinen-Filter mit KaffeeFiltertüten)
Durchführung / Ablauf:
- Rotkohl fein schneiden
- mit Wasser einige Minuten aufkochen und dann abkühlen lassen
- den Sud dekantieren und dann filtern
- im Kühlschrank lagern
Prüfen des pH-Wertes von Haushaltschemikalien und Lebensmitteln mit Rotkohl-Saft
Hinweise:
Säuren und Basen sind im Allgemeinen ätzend! Haushaltschemikalien enthalten häufig recht
große Konzentrationen solcher Stoffe! Auf die Prüfung von Haushaltschemikalien, die als
ätzend oder gefährlich beschriftet sind, sollte unbedingt verzichtet werden!
Materialien / Geräte:
Rotkohl-Saft, kleine Gläser (für Lebensmittel) oder Plaste-Flaschen (für Haushaltschemikalien, aber zur Sicherheit keine Trink-Flaschen benutzen!!! Am besten sind klare und gründlich
ausgespülte Flaschen von Kosmetika geeignet!)
gut geeignete Probe-Materialien: Essig, Leitungs-Wasser, Abwasch-Wasser, (verdünnte) Lösungen von Waschmitteln und Reinigungs-Mitteln, Milch, Mineral-Wasser, Limonade, Cola,
Zitronensaft, Soda-Lösung, Backpulver-Lösung
Durchführung / Ablauf:
- Probe rund 1 cm hoch in ein Glas füllen
- ein bis zwei Tee-Löffel Rotkohlsaft dazugeben
- anhand der verfügbaren Farbtafeln pH-Wert bestimmen (es kommt auf den Farbton an,
nicht auf die Farbintensität)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 90 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.2.1. Ableitung des pH-Wertes über das Massenwirkungs-Gesetz
5.4.1.2.2. Berechnung des pH-Wertes von starken Säuren
5.4.1.2.3. Berechnung des pH-Wertes von starken Basen
5.4.1.2.4. Berechnung des pH-Wertes von schwachen Säuren
5.4.1.2.5. Berechnung des pH-Wertes von schwachen Basen
5.4.1.2.6. Berechnung des pH-Wertes von Salzen
5.4.1.2.7. der pOH-Wert
Definition(en): pOH-Wert
Der pOH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Aktivität (ersatzweise: Konzentration) der Hydroxid-Ionen.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 91 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.3. Puffer / Puffer-Lösungen
Name
Perchlorsäure
Säure
HClO4
pKS
Chlorwasserstoffsäure
Schwefelsäure
HCl
H2SO4
-6
-3
Hydronium-Ion
Salpetersäure
Hydrogensulfat-Ion
Fluorwasserstoff
H3O+
HNO3
HSO4
HF
-1,74
-1,32
1,92
3,1
HSO4
H2O
NO3SO42
F
Schwefelwasserstoff
Ammonium-Ion
Hydrogencarbonat-Ion
H2S
NH4+
HCO3
7,06
9,21
10,4
HS
NH3
CO32
Hydrogenphosphat-Ion
Wasser
Hydroxid-Ion
HPO42
H2O
12,32
15,74
24
PO43
OH
O2
-9
-
-
OH
Bezeichnung
pKS
KS
sehr starke Säure
starke Säure
< -2
< -1
> 100
> 10
starke Base
sehr starke Base
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 92 -
Base
ClO4
pKB
-
Cl
-
-
-
pKB
KB
< -1
< -2
> 10
> 100
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
17
1,00*10
-
15,74
15,32
1,82*10
-16
4,79*10
-
14
1,00*10
12,19
6,46*10
12,08
8,32*10
11,88
10,9
10,63
1,26*10
-11
2,34*10
-11
2,82*10
10,55
5,00*10
10,3
5,62*10
9,25
5,62*10
9,15
7,09
7,08*10
-8
8,13*10
6,96
1,10*10
6,79
1,62*10
6,47
3,39*10
4,75
4,34
1,78*10
-5
4,57*10
CO32
HO2
S2
3,75
1,78*10
2,38
4,17*10
2,04
9,12*10
-
1,33
4,68*10
0
1
-1,74
-1,32
-1
0
H3O+
HNO3
HClO3
-2
1,81
H2SO3
-2
1,92
7,58*10
-4
7,94*10
-4
4,27*10
-3
2,12
3,10
3,37
-4
3,45
HSO4
H3PO4
[Fe(H2O)6]3+
HNO2
HF
-4
3,7
H2CO3
HCO3
-5
4,75
CH3-COOH
1,41*10
-7
1,23*10
-5
4,85
6,91
[Al(H2O)6]3+
CH3-COO
[Fe(OH)(H2O)5]2+
-8
7,04
-8
7,21
-8
7,53
H2PO4
HClO
-10
9,25
9,66
NH4+
H4SiO4
-11
10,25
-12
11,62
HCO3
H2O2
-12
11,96
HS
-13
12,67
-14
14
PO43
[Na(OH)(H2O)5]
OH
-1,74
1,00*10
NH2-
-9
1,00*10
-10
1,00*10
1,78*10
9,12*10
6,17*10
2,95*10
5,62*10
-10
2,19*10
5,62*10
2,40*10
1,10*10
2,14*10
1,00*10
1,82*10
1,00*10
1,00*10
ClO3
-
-
-
NO2
-
F
-
-
SO32
HSO3
H2S
-
-
-
HS
HPO42
-
ClO
NH3
-
H3SiO4
-
-
-16
15,74
HPO42
[Na(H2O)6]+
H2O
-23
23
NH3
-24
24
OH
-
-
HSO3
SO42
H2PO4[Fe(OH)(H2O)5]2+
-
-
O2
-14
-13
-13
-12
-11
-11
-10
-10
-7
-7
-7
-5
-4
-3
stark
2,00*10
NO3
-16
schwach
1
-17
mittelstark
5,50*10
1
2,09*10
-
HSO4
H2O
-20
sehr schwach
1,00*10
-
Cl
-3
-2
9
sehr
stark
stark
20
-3
3,55*10
mittelstark
1,00*10
3
1,00*10
HCl
H2SO4
-23
23
-6
1,20*10
schwach
KB
[mol/l]
6
1,00*10
1,55*10
sehr schwach
pKB
9
9
strärker
als OH
sehr
stark
stärker
als
+
H3O
Relative Stärke von BRÖNSTED-Säure-Base-Paaren
KS
pKS
korrespondierende
[mol/l]
Säure
Base
9
1,00*10
-9
HClO4
ClO4
Daten-Q: /19, S. 204f/
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 93 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.1.4. Bildung von (anorganischen) Salzen
Säure
+
Base
Salz
+
Wasser
Säure
+
Metall
Salz
+
Wasserstoff
Säure
+
Metalloxid
Salz
+
Wasser
Nichtmetall
+
Base
Salz
+
Wasser
Nichtmetalloxid
+
Base
Salz
+
Wasser
Nichtmetall
+
Metall
Salz
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 94 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.2. Redox-Reaktionen / Reaktionen mit Elektronen-Übergang
Der Begriff Redox-Reaktion leitet sich aus der Kombination der Wortstämme von Reduktion
und Oxidation ab.
In der allchemistischen Lehre und bei den Chemikern des 18. und 19. Jahrhunderts waren
die Oxydationen und Reduktionen sehr intensiv betrachtet Vorgänge. Sie waren relativ gut
experimentell realisierbar und reproduzierbar. Solche Reaktionen, wie die Bildung und Zerlegung von Quecksilber-Oxyd fesselten ganze Chemiker-Generationen. Im gewissen Sinne
stellen die Oxydationen und Reduktionen die Basis-Reaktionen der empirischen Chemiker
dar. Später kamen dann Reaktionen mit anderen Elementen als Sauerstoff und Wasserstoff
dazu.
5.4.2.1. klassische Betrachtung von Oxidation und Reduktion
Die Oxidation (früher auch Oxydation) ist uns als Verbrennung sicher noch in Erinnerung. Kaum
jemand kann das Experiment vergessen, bei dem der Chemie-Lehrer ein Stück Magnesium
verbrannt hat. Auch der Hinweis. nicht direkt in die Flamme zu schauen, ist legendär. Aber
die gleißende Flamme hatte eine unüberwindliche Anziehungskraft.
Als chemische Gleichung ausgedrückt sieht die Reaktion dann so aus:
2 Mg + O2
2 MgO
silberfarbend
RH = - x kJ/mol
weiß
Das Reaktions-Produkt heißt Magnesiumoxid. Magnesium wurde mit anderen Worten oxidiert. Die ältere Schreibweise Oxydation statt Oxidation wird heute noch ab und zu für die Reaktion von Stoffen
mit Sauerstoff genutzt. In diesem Skript nutzen wir nur die moderne und weitergefasste Schreibweise Oxidation.
Dazu kommen wir später noch genauer.
Oxidation
┌────────────────────────────┐
│
▼
2 Mg + O2
2 MgO
RH = - x kJ/mol
Das Metalloxid könnte man nun lösen und so eine Base herstellen ( 5.4.1. Säure-Base-Reaktionen / Reaktionen mit Protonen-Übergang).
Aber was passiert mit dem Sauerstoff? Wie heißt die Reaktion aus seiner Sicht?
Ein anderes klassisches Beispiel aus der Schul-Chemie ist die Verbrennung von Schwefel zu
Schwefeldioxid. Dieses wurde dann z.B. in Wasser gelöst um eine Säure zu erhalten.
S + O2
gelb
SO2
RH = - x kJ/mol
weißer Nebel
Auch hier können wir die Oxidation als Reaktion deutlich erkennen:
Oxidation
┌─────────────────────────┐
│
▼
S + O2
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
SO2
RH = - x kJ/mol
- 95 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Exkurs: die Phlogiston-Theorie
auch Caloricum, Terra pinguis
war nach den allchemistischen Theorien des 17. und 18. Jhd. der Stoff, der beim Verbrennen
aus eines (anderen) Stoffes entweicht. Das Phlogiston sollte dem brennbaren Stoff innewohnen oder ihm beim Erwärmen zugeführt worden sein. Phlogiston sollte auch die Gärung sowie Fäulnis und Verwesung von Pflanzen und Tieren fördern.
Einige Stoffe, wie z.B. Schwefel und Kohle verbrannten fast ohne Rückstände. Das war für
die Vertreter der Phlogiston-Theorie ein Zeichen für viel enthaltenes Phlogiston in der Ursprungs-Substanz.
Schwefel
Schwefeloxid + Phlogiston
Andere Stoffe verbrannten unter Bildung eines erdigen Pulvers / Rückstandes. In diesen
Stoffen sollte vorher weniger Phlogiston enthalten gewesen sein.
Zink
Zinkoxid + Phlogiston
Metalle die langsamer oder gar nicht verbrannten wurden als edel bezeichnet und enthielten
nach der Theorie sehr wenig oder gar kein Phlogiston. Zu den bekannten edlen Metallen
zählte man damals vor allem Gold und Silber.
Eines der beliebtesten Beispiele der Allchemisten war die die Reaktion von flüssigem, silberglänzenden Quecksilber zu pulvrigen orangen Quecksilberoxid:
Quecksilber
Quecksilberoxid + Phlogiston
Hier konnte man auch schön die umgekehrte Reaktion beobachten:
Quecksilberoxid + Phlogiston
Quecksilber
Entsprechend sollten auch die anderen Reaktionen unter Verbrauch von Phlogiston – sozusagen umgekehrt – ablaufen:
Schwefeloxid + Phlogiston
Zinkoxid + Phlogiston
Schwefel
Zink
Erhitzte man edle Metalle, dann wurden diese durch Übergabe von Phlogiston (aus der Kohle) "wiederbelebt".
ausgearbeitet von Johann Joachim BECHER (1635 – 1682) und Georg Ernst STAHL (1659
– 1734)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 96 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Stellen Sie die Gleichungen für die Verbrennung / Oxidation der folgenden
Stoffe auf!
a) Kohle (Cohlenstoff)
d) Eisen
b) Wasserstoff
e) Cohlenmonoxid
c) Phosphor (z.B. weißer)
f) Propan
2. Ermitteln Sie, ob es sich jeweils um endo- oder exotherme Reaktionen handelt!
Wie Sie sicher festgestellt haben, sind alle Oxidationen mehr oder weniger starke exotherme
Reaktionen. Die meisten sind sogar sehr stark exotherm, weshalb wir sie ja auch gerne für
Energie- bzw. Wärme-Gewinnung nutzen (z.B. Verbrennen von Kohle oder Propan).
Auch die Verbrennung von Eisen ist stark exotherm. Man darf sich bei der einfachen (langsamen) Oxidation (Rosten des Eisens) nicht täuschen lassen. Der Vorgang läuft so langsam
ab, dass es zu keiner deutlichen Erwärmung kommt. Die abgegebene Energie wird viel zu
schnell von der Umgebung aufgenommen.
Auch Reduktionen sind schon Gegenstand der Schul-Chemie gewesen. Einer der bekanntesten Reaktionen ist die Überleitung von Wasserstoff-Gas über schwarzem Cupfer(II)-oxid:
CuO + H2
schwarz
Cu + H2O
RH = + x kJ/mol
rötlich, glänzend
Aus dem oxidierten Cupfer wird elementares Cupfer. Eine Reduktion ist also eine umgekehrte Oxidation:
Reduktion
┌──────────────────────────┐
│
▼
CuO + H2
Cu + H2O
RH = + x kJ/mol
▲
│
└──────────────────────────┘
Oxidation
In einigen Fällen ist auch die Reduktion von schwarzem Cupfer(II)-oxid mit Cohlenstoff gezeigt worden:
CuO + C
schwarz schwarz
Cu + CO2
RH = + x kJ/mol
rötlich, glänzend
Auch in diesem Beispiel läßt sich die Reduktion als Umkehrung der Oxidation gut erkennen:
Reduktion
┌──────────────────────────┐
│
▼
CuO + C
Cu + CO2
RH = + x kJ/mol
▲
│
└──────────────────────────┘
Oxidation
In beiden Fällen sprechen wir von der Reduktion des Cupferoxids.
Aber zurück zu unsrem ersten Beispiel (CuO + H2). Was für eine Reaktion ist es für den
Wasserstoff?
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 97 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Schaut man sich das genauer an, dann sieht man hier:
<O>
+ H2
H2O
Das ist doch eine Oxidation. Der Wasserstoff wird durch den Sauerstoff aus dem Cupferoxid
oxidiert.
Oxidation
┌───────────────────────────┐
│
▼
<O>
+ H2
H2O
Zumindestens bei der Reduktion von Cupfer(II)-oxid mit Wasserstoff bzw. Cohlenstoff läuft
parallel auch eine Oxidation ab.
Egal welche Oxidation (oder Reduktion) wir untersuchen, es ist immer eine Reduktion (bzw.
Oxidation) dabei, die quasi gleichzeitig abläuft. Deshalb spricht man gemeinschaftlich von
Redox-Reaktion. In einer ersten Assoziation könnten wir nun schließen, dass RedoxReaktionen vielleicht Reaktionen mit Sauerstoff-Austausch sind.
Somit könnten wir auch eine klassischen Definitionen für Oxidation und Reduktion angeben:
Definition(en): Oxidation (Oxydation)
Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff aufgenommen / gebunden
wird.
Definition(en): Reduktion
Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der aus einem Stoff Sauerstoff entzogen
wird.
Eine Reduktion ist die Umkehrung einer Oxidation.
Definition(en): Redox-Reaktion
Eine Redox-Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Sauerstoff zwischen zwei Stoffen
ausgetauscht wird.
Redox-Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen eine Oxidation und eine Reduktion gekoppelt ablaufen.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 98 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.2.2. die moderne Betrachtung von Oxidation und Reduktion
Es gibt aber auch andere Reaktionen, die vergleichbar zu den oben besprochenen Vorgängen ablaufen, ohne dass aber Sauerstoff beteiligt ist:
z.B. die Verbrennung von Natrium in Chlor:
Natrium "brennt" mit heller gelber Flamme im Chlor-Gas.
2 Na + Cl2
silberfarbend grünlich
RH = - x kJ/mol
2 NaCl
farblos
Auch die Reaktion von Schwefel und Eisen (vielen vielleicht auch aus dem Anfangs-Unterricht Chemie
bekannt) gehört dazu:
Fe + S
grau gelb
FeS
grau
RH = - x kJ/mol
Beide Reaktionen haben recht viele Ähnlichkeiten mit den vorweg beschriebenen Oxidationen und Reduktionen. Es wäre nun eine zu klärenden Frage, ob es sich hier auch praktisch
um Oxidationen und Reduktionen handelt, obwohl eben kein Sauerstoff wandert. Es müsste
dann geklärt werden, was der Kern der Reaktion von Oxidation und Reduktion ist bzw. was
hier ev. wandert, wenn es nicht der Sauerstoff ist.
Ein erster Ansatz könnte die Erkenntnis sein, dass bei vielen der oben genannten Reaktionen, als Reaktions-Produkte kristalline, Salz-ähnliche Stoffe entstehen. Dies kann man zwar
nicht verallgemeinern, aber es treten zu mindestens polare Bindungen auf. Hier können wir
weiter nachhaken. Wenn Ionen entstehen, dann müssten Elektronen gewandert sein. Ein
solcher Sachverhalt würde ja auch konform zu unseren Betrachtungen zu den verschiedenen Bindungen sein ( 3.4.2. Ionen-Bindung (Ionen-Beziehung)). Dort hatten wir festgestellt,
dass einige Elemente ein sehr starkes Bestreben haben, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Wenn wir diesen Gedanken weiter spielen, dann könnten wir uns zu mindestens
behelfsmäßig und kurzzeitig vorstellen, alle Stoffe (außer den Elementen) würden aus Ionen
bestehen.
Solche oder ähnliche Gedanken könnten zu den Oxidationszahlen geführt haben. Die Oxidationszahlen sind ein theoretisches Modell, bei dem man sich die einzelnen Bestandteile
einer Verbindung entweder als "gedachte" Ionen oder als neutrale Atome (z.B. bei Elementen) vorstellt. Nicht-elementare Verbindungen werden immer so behandelt, als würden sie
aus Ionen bestehen. Oxidationszahlen (OZ) werden genau über das Element-Symbol geschrieben. Es werden arabische Ziffern benutzt (zur Erinnerung: römische Ziffern beschreiben die Wertigkeit!). Die scheinbare Ladung wird vor der Ziffer notiert. ( In einigen älteren Lehrbüchern werden
traditionell römische Zahlen für die Oxidationszahlen benutzt. Prüfen Sie einfach, wie der jeweilige Autor das
macht. Am Prinzip ändert sich dadurch gar nichts!)
erweiterte Symbol-Schreibweise in der Chemie:
Nukleonen-Zahl
Protonen- od. Ordnungs-Zahl
(Kernladungs-Zahl)
Oxidationszahl
+2
24
2+
1
12
Mg
Ladung
Anzahl (Atome)
eine Eins wird normalerweise weggelassen
Symbol
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 99 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): Oxidationszahl
Die Oxidationszahl beschreibt modellhaft die Ladung eines Atoms in einem Molekül oder
einer Bau-Einheit, wenn man annimmt, das Molekül bzw. die Bau-Einheit wäre aus Ionen
aufgebaut.
Die Oxidationszahl ist die formale Ladung, die ein Atom innerhalb einer Verbindung (unter
Beachtung der Ladungszuordnung entsprechend der Elektronegativität) haben würde.
Die Vergabe der Oxidationszahlen erfolgt nach einfachen Regeln, die der Reihe nach abgearbeitet werden müssen! Es gibt also Regeln mit einem höheren Rang! Diese stehen zuerst
im Regelwerk:
Regel zur Festlegung von Oxidationszahlen:
1. Elemente erhalten die Oxidationszahl 0
2. bei einatomigen Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionen-Ladung
3. die Summe aller Oxidationszahlen einer Verbindung muß die Ladung des Ions
bzw. Teilchens (des Moleküls bzw. der Baueinheit) wiederspiegeln
4. Metalle haben in Verbindungen immer positive Oxidationszahlen
5. Wasserstoff in Verbindungen hat in der Regel die Oxidationszahl +1 (Ausnahme
Metall-Hydride: -1)
6. Sauerstoff in Verbindungen hat in der Regel die Oxidationszahl -2 (mögliche Ausnahme Peroxide: -1)
7. in organischen Verbindungen wird die Oxidationszahl immer für jedes CohlenstoffAtom einzeln ermittelt; die Summe der Oxidationszahlen der gebundenen Atome
(außer, die anderer C-Atome) muß 0 bzw. die lokale Ladung ergeben
Aufgaben:
1. Ermitteln Sie für die nachfolgenden Stoffe und Teilchen die Oxidationszahlen für jedes Element! Begründen Sie warum Sie die jeweilige Oxidationszahl gewählt haben bzw. welche Regel Sie angewandt haben!
-
Fe H2 N2 HCl NaCl MgSO4 H3PO4 H2PO4
-
CH3-CH2OH NO2 NO3
-
Al3+ HSO3
2. Bestimmen Sie die Oxidationszahlen in den folgenden Stoffen für jede
Atom-Art!
Al O2 MgO AlCl3
C CH4 H3C-CH2OH
(CH3-CH2-COO)2Mg
-
-
-
-
-
Na+ Br
OH
H3O+ SO32
NO2
HCO3
H2O2
H3C-COOH H3C-CH2-CH=CH-CH2-CHO Cl2CH-CH2Br
Nutzen wir nun die Oxidationszahlen zur weiteren Untersuchung unserer BeispielReaktionen:
0
0
2 Mg + O2
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
+2 -2
2 MgO
RH = - x kJ/mol
- 100 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Bei Magnesium hat sich die Oxidationszahl
während der Reaktion erhöht. Das war in der
klassischen Betrachtung die Oxidation. Die
Reduktion am Sauerstoff ist von einer Verkleinerung der Oxidationszahl begleitet. Betrachtet man für die Aufklärung der Bindungs-Verhältnisse die Differenz der Elektronegativität im Magnesiumoxid, dann können wir eine Ionen-Bindung feststellen. Somit lassen sich zwei Ionen-Bildungen als
Teil-Reaktionen aufstellen:
0
Vergrößerung der Oxidationszahl
Elektronen-Abgabe  Oxidation
+2
Mg
Mg
2+
0
+ 2e
-
Verringerung der Oxidationszahl
Elektronen-Aufnahme  Reduktion
-2
O + 2e
-
O
2-
Schauen wir als zweites Beispiel kurz die Reaktion von Natrium mit Chlor an.
0
0
+1 -1
2 Na + Cl2
RH = - x kJ/mol
2 NaCl
Für Natrium und Chlor ändert sich die Oxidationszahl jeweils um eine Stufe. Es handelt
sich also um einen Ein-ElektronenÜbergang. Das Aufstellen der TeilGleichungen für Oxidation und Reduktion ist
erst einmal nicht weiter kompliziert.
Hier ist schön zu erkennen, dass für eine
Oxidation nicht wirklich auch Sauerstoff gebraucht wird. Was notwendig ist, ist ein Stoff,
welcher Elektronen abgeben kann.
0
+
Na
Na
0
Cl + e
Vergrößerung der Oxidationszahl
Elektronen-Abgabe  Oxidation
+1
-
-
+ e
Verringerung der Oxidationszahl
Elektronen-Aufnahme  Reduktion
-1
-
Cl
Kommen wir aber noch einmal auf die Magnesium-Verbrennung zurück. Elektronen-Abgabe
(Oxidation) und Elektronen-Aufnahme (Reduktion) finden praktisch gleichzeitig statt. Sauerstoff kann und wird nur dann Oxid-Ionen bilden, wenn gleichzeitig das Magnesium die notwendigen Elektronen liefert. Das Magnesium gibt seine beiden Außen-Elektronen nicht ab,
wenn da nicht ein Stoff wäre, der nach diesen Elektronen lechzt. Oxidation und Reduktion
bedingen sich gleichermaßen. Deshalb spricht man eben auch von einer Redox-Reaktion.
Redox-Reaktionen werden auch als Reaktionen mit Elektronen-Übergang bezeichnet.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 101 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): Elektronen-Übergänge
Die Elektronen-Übergänge beschreiben die während einer Redox-Reaktion wandernden
Elektronen.
Die Anzahl der abgegebenen Elektronen bei einem Atom entspricht dem Betrag der Differenz der Oxidationszahlen vor und nach der Reaktion.
Die Anzahl der insgesamt abgegebenen und aufgenommenen Elektronen ist gleich und entspricht den Elektronen-Übergängen.
Die Berechnung erfolgt am Einfachsten über das Kleinste gemeinsame Vielfache.
Definition(en): Oxidation
Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion bei der ein Atom (aus einer Verbindung oder
eines Elementes) Elektronen aufnimmt.
Definition(en): Reduktion
Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion bei der ein Atom (aus einer Verbindung oder
eines Elementes) Elektronen abgibt.
Definition(en): Redox-Reaktion
Eine Redox-Reakion ist eine chemische Reaktion bei der Elektronen von einem Element auf
ein anderes Element übertragen werden.
Redox-Reaktionen sind (chemische) Reaktionen mit einem Elektronen-Übergang.
Beachten wir nun noch die Molekularität des benutzten Sauerstoffs, dann erhalten wir:
0
-2
O2 + 4 e
-
-
2 O2
Reduktion
Die notwendigen vier Elektronen müssen von zwei Magnesium-Atomen stammen:
0
+2
2 Mg2+ + 4 e
2 Mg
-
Oxidation
Fasst man nun die Teil-Gleichungen zusammen, dann erhalten wir wieder unsere "klassische" Reaktions-Gleichung:
-
- 4 e (Oxidation)
Elektronen-Abgabe
┌────────────────────────────┐
│
▼
2 Mg + O2
2 MgO
Redox-Reaktion
│
▲
└───────────────────────┘
-
+ 4 e (Reduktion)
Elektronen-Aufnahme
Innerhalb der Gleichung werden durch die Seitenpfeile gleich noch die Teil-Reaktionen angedeutet.
Magnesium ist der Stoff, der die Elektronen abgibt, also selbst oxidiert wird. Einen solchen
Stoff nennen wir Reduktionsmittel. Entsprechend ist Sauerstoff das Oxidations-Mittel, also
der Stoff der selbst reduziert wird bzw. die Elektronen aufnimmt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 102 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): Oxidations-Mittel
Ein Oxidations-Mittel ist ein Stoff (Atom oder Atom-Gruppe), der bei Elektronen aufnimmt.
Das Oxidations-Mittel ist der Stoff, der in einer Redox-Reaktion (selbst) reduziert wird.
Ein Oxidations-Mittel bewirkt bei einem anderen Stoff die Elektronen-Abgabe.
Das Oxidationsmittel ist der Stoff, dessen Oxidationszahl während der Reaktion kleiner wird.
Definition(en): Reduktions-Mittel
Ein Reduktions-Mittel ist ein Stoff (Atom oder Atom-Gruppe), der bei Elektronen abgibt.
Das Reduktions-Mittel ist der Stoff, der in einer Redox-Reaktion (selbst) oxidiert wird.
Ein Reduktions-Mittel bewirkt bei einem anderen Stoff die Elektronen-Aufnahme.
Das Reduktionsmittel ist der Stoff, dessen Oxidationszahl während der Reaktion größer
wird.
Oftmals werden die Oxidations- und Reduktions-Mittel auch gleich mit in der chemischen
Gleichung notiert:
-
- 4 e (Oxid.)
┌────────────────────────────┐
│
▼
2 Mg + O2
2 MgO
Redox-Reaktion
│
▲
└───────────────────────┘
RedM
OxM
-
+ 4 e (Red.)
Mit der Zuordnung oder Benennung von Magnesiumoxid müssen wir uns noch beschäftigen!
Eine Erklärung der chemischen Vorgänge ist über die Ionen-Bildung anhand der EnergieNiveau-Schemata möglich ( 3.2.1. Ionen-Bildung).
Ionen-Bildung
durch
Elektronen-Abgabe
(Oxidation)
Mg
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Mg2+
- 103 -
+
2e
-
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Ionen-Bildung
durch
Elektronen-Aufnahme
(Reduktion)
O
+
2e
-
-
O2
Für beide Atome ergeben sich Abgabe bzw. Aufnahme von zwei Elektronen die nächstmöglichen stabilen Edelgas-Konfigurationen. Diese entsprechen den Ionen dieser Elemente.
Aufgabe (für FREAKS):
Machen Sie Aussagen zur Größe der Magnesium- und der Oxid-Ionen (in Bezug zueinander)! Begründen Sie Ihre Meinung!
Sprechen wir nun über eins unserer Beispiele bei den klassischen Reduktionen:
CuO + H2
Cu + H2O
RH = + x kJ/mol
Die einzelnen – oben schon beschriebenen – Schritte werden jetzt nur noch als Überschriften angezeigt:
Festlegen der Oxidationszahlen:
+2 -2
0
0
CuO + H2
+1 -2
Cu + H2O
Aus der Veränderung der Oxidations-Zahlen können wir hier ebenfalls auf das vorliegen einer Redox-Reaktion schließen.
Heraussuchen der Teilreaktionen: (Atome, bei denen sich die Oxidationszahl ändert)
┌───────────────────────────┐
│
▼
CuO + H2
Cu + H2O
│
▲
└──────────────────────────┘
Aufstellen der Teil-Reaktionen (Reduktion + Oxidation)
0
Vergrößerung der Oxidationszahl
Elektronen-Abgabe  Oxidation
+1
+
H
H
-
+ e
0
+2
-
Cu2+ + 2 e
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Verringerung der Oxidationszahl
Elektronen-Aufnahme  Reduktion
Cu
- 104 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Herstellen der Stöchiometrie
Man erkennt sofort, dass ein abgegebenes Elektron nicht ausreicht, um Cupfer vollständig zu
reduzieren. Außerdem kommt Wasserstoff nicht einatomig vor. Also muss die OxidationsGleichung entsprechend angepasst (erweitert) werden:
2 H+ + 2 e
H2
Cu2+ + 2 e
-
-
Oxidation
Cu
Reduktion
Aufstellen der Redox-Gleichung (Zusammenfassung der Teil-Reaktionen)
____________________________________
Cu2+ + H2
Cu + 2 H+
Beschriftung der Oxidations- und Reduktionsmittel
Cu2+ + H2
OxM
RedM
Cu + 2 H+
Nun haben wir ja vor kurzem kennengelernt, dass chemische Reaktionen prinzipiell immer
umkehrbar sind und chemische Gleichgewichte bilden. Somit sollte auch die Gleichung
(Rück-Reaktion):
Cu + H2O
CuO + H2 
RH = - x kJ/mol
und die dazu passende Redox-Gleichung:
Cu + 2 H+
RedM OxM
Cu2+ + H2
gültig sein.
Tragen wir nun diese gerade ermittelten Reduktions- und Oxidationsmittel an die HinReaktion, dann erhalten für jedes Element sowohl ein Reduktionsmittel und ein Oxidationsmittel. So etwas nennen wir ein korrespondierendes Redox-Paar oder Redox-System. Um
unterschiedliche Redox-Paare in Gleichungen zu kennzeichnen, werden Indizes (z.B.: 1, 2,
…) benutzt. Damit erhalten wir eine Redox-Gleichung mit Kennzeichnung der Redoxpaare:
Cu2+ + H2
OxM1 RedM2
Cu + 2 H+
RedM1 OxM2
Zum Prüfen, ob es sich bei einer chemischen Reaktion wirklich um eine Redox-Reaktion
handelt, bzw. welcher Teil jetzt genau die Oxidation oder die Reduktion ist, hat sich in der
Chemie das Modell der Oxidationszahlen als sehr hilfreich herausgestellt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 105 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Definition(en): korrespondierendes Redox-Paar / Redox-System
Ein korrespondierendes (auch: konjugiertes) Redox-Paar sind ein Reduktions-Mittel und eine Oxidations-Mittel, die durch einen Elektronen-Übergang ineinander übergehen.
Das Reduktions-Mittel wird durch Elektronen-Abgabe zum Oxidations-Mittel. EinOxidations-Mittel wird durch
Elektronen-Aufnahme zum Reduktions-Mittel.
Ein korrespondierendes Redox-Paar sind zwei Stoffe, die sich durch Elektronen-Übergang
ineinander umwandeln können.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 106 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Methode: Aufstellen von Redox-Gleichungen
z.B. Reaktion von Cupfer(II)-sulfat mit Zink unter Ausfällung von rotem CupferSchlamm
Notieren der Wort-Gleichung (aus der Aufgabe heraus)
| Cupfer(II)-sulfat + Zink
Cupfer |
Heraussuchen der Symbole / Formeln für die Stoffe ( Tabellen, ev. selbst Aufstellen)
Cu ↓ |
| CuSO4 + Zn
Ermitteln der Oxidationszahlen
+2 +6-2
±0
±0
Cu ↓ |
| CuSO4 + Zn
Aufstellen der Teil-Gleichungen (um die Elektronen-Abgaben und -Aufnahmen zu ermitteln)
Cu2+ + 2 e
-
 Elektronen-Aufnahme  Reduktion
Cu
 Ermitteln weiterer Stoffe / Möglichkeiten / Reaktionen mit ihren Symbolen / Formeln
(Zink ist unedel(er als Cupfer)  kann oxidiert werden
Zn2+
Zn
+ 2e
-
 Elektronen-Abgabe  Oxidation
Ermitteln der Faktoren für die Stoffe über das Kleinste gemeinsame Vielfache (KGV) 
Elektronen-Übergänge
2
1*2
*
=
2
1*2
=
=
2 (KGV)
2
Benutzen der Faktoren für die Teil-Gleichungen
Cu2+ + 2 e
Zn
2+
Zn
Cu
+ 2e
Zusammenfassen der beiden Teil-Gleichungen
________________________________________________
Cu2+ + 2 e + Zn
Cu + Zn2+ + 2 e
Raus-Kürzen von Stoffen / Teilchen, die auf beiden Seiten vorkommen (Redox-Gleichung)
Cu2+ + Zn
Cu + Zn2+
fertig!
ev. Aufstellen der Stoff-Gleichung:
CuSO4 + Zn
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Cu ↓ + ZnSO4
- 107 -
fertig!
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Aufgaben:
1. Untersuchen Sie bei den folgenden chemischen Reaktionen, ob es sich jeweils um eine Redox-Reaktion handelt! Stellen Sie bei Redox-Reaktionen
die Teil-Gleichung und die Gesamt-Gleichung / Redox-Gleichung auf! Beschriften Sie passend Oxidation, Reduktion, Elektronen-Aufnahme und –
Abgabe, die Oxidations- und Reduktions-Mittel und die Redox-Paare!
Sollte es sich nicht um eine Redox-Reaktion handeln, dann begründen Sie
Ihre Meinung!
Cu  + ZnSO4
2 NaCl
H2O + NaCl
Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O
2 MnCl2 + 5 Cl2  + 8 H2O + 2 KCl
a)
b)
c)
d)
e)
CuSO4 + Zn
2 Na + Cl2
NaOH + HCl
Cu + 4 HNO3
2 KMnO4 + 16 HCl
a)
b)
c)
d)
Reaktion von Schwefelsäure mit Magnesiumoxid
Reaktion von Salzsäure mit Zink
Reaktion von Kaliumpermanganat mit Salzsäure unter Freisetzung von Chlor
Reaktion von Schwefel mit Kaliumnitrat unter Bildung von Stickstoffmonoxid
2. Prüfen Sie für die folgenden chemischen Reaktionen, ob es sich um RedoxReaktionen handelt! Geben Sie das vollständige Gleichungs-Gebilde mit allen Benennungen an!
für die gehobene Anspruchsebene:
1. Untersuchen Sie bei der folgenden chemischen Reaktion, ob es sich um eine RedoxReaktion handelt!
OF2 + H2O
2 HF + O2
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 108 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Reinigung von Silber-Besteck (fast ohne Putzen)
Materialien / Geräte:
Aluminium-Folie, (schwarz) beschlagenes Silber-Besteck, Kochsalz
Durchführung / Ablauf:
- in eine Plaste-Schale Wasser (am besten lauwarm) einfüllen, so dass das Besteck gut darin liegen kann
- einige Esslöffel Kochsalz zugeben
- Silber-Besteck (locker) in Alu-Folie einwickeln (eine Schicht reicht aus)
- die Packungen in das Salzwasser legen
- einige Stunden warten, ev. zwischenzeitlich prüfen, ob das Besteck schon sauber ist
- ev. nachpolieren
Hinweise:
Materialien / Geräte:
Durchführung / Ablauf:
-
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 109 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.2.3. Sonderfälle der Redox-Reaktionen - Disproportionierung und
Komproportionierung
Disproportionierung (Dismutation)
ein Stoff dient gleichzeitig als Reduktions- und als Oxidations-Mittel
±0
+1 -2+1
+1 -1
Cl2 + 2 NaOH
+1 +1 -2
+1 -2
NaCl + NaClO + H2O
Natriumhypochlorit
+5
-1
4 KClO3
+7
KCl + 3 KClO4
Kaliumchlorat
Kaliumchlorid Kaliumperchlorat
Komproportionierung
ein Element kommt in zwei verschiedenen Oxidations-Stufen vor, nach einer RedoxReaktion besitzt das Element ein mittleres Oxidations-Niveau, es wird also sowohl oxidiert
als auch reduziert
+2-1
+1 -2
+1-1
OF2 + H2O
+6
2 HF + O2
-2
H2SO4 + H2S
+5
IO
3-
-1
-
+ 5I
±0
±0
S + H2O
±0
+ 6 H3O+
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
I2 + 9 H2O
- 110 -
(Iodometrie)
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.4.2.y. elektro-chemische Reaktionen (Elektro-Chemie)
GALVANIsche Elemente
Lokal-Elemente
elektro-chemische Spannungs-Reihe
Korrosion / Rosten
Rosten
gefördert noch zusätzlich in Salz-haltiger Luft oder bei Kontakt mit Salz-haltigen Lösungen
(z.B. bei Auto's durch auf die Straßen ausgebrachte Auftausalze). gelöste Salze erhöhen zusätzlich die Leitfähigkeit im Elektrolyt des Lokal-Elementes
besondere Formen der Korrosion
Auf Aluminium bildet sich eine dünne, feste, stumpf wirkende und zusammenhängende OxidSchicht. Diese verhindert den weiteren Zutritt von Sauerstoff. Es handelt sich praktisch um
eine natürliche Schutz-Schicht. Durch technische (elektrochemische) Verfahren kann die Bildung der Schicht beschleunigt werden und die Schicht-Stärke noch etwas vergrößert werden. Außerdem lassen sich bestimmte Farbstoff mit in die Oxid-Schicht integrieren. Dieses
Korrosions-Schutz-Verfahren wird ELOXAL-Verfahren (elektrisch oxidiertes Aluminium) genannt.
ähnliche Oxid-Schichten bei Zink, Nickel und Chrom bekannt
Passivierung
Auf Cupfer setzt sich – vor allem in der freien Natur – eine grüne Schicht (Patina) ab. Eigentlich ist Cupfer schon ein sehr edles Metall, so dass kaum Korrosion auftritt. Die Patina
schützt noch zusätzlich. Sie besteht im Wesentlichen aus CuSO4 * Cu(OH)2. Die PatinaSalze sind vorrangig basisch. Patina ist giftig. Patiniertes Cupfer-Geschirr darf nicht für die
Zubereitung von Lebensmitteln benutzt werden. Auch bei der Verwendung von sauberen
Cupfer-kesseln usw. für die Essens-Zubereitung muss mit Vorsicht gearbeitet werden (besser den Spezialisten überlassen).
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 111 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Früchte in Blech-Dose
Weiss-Blech eigentlich ein sehr stabiles (korrosions-unempfindliches System) besteht aus
Eisenblech mit einem schützenden Zinn-Überzug
problematisch ist die Entstehung von Lokal-Elementen, wenn schützende Zinn-Schicht einreißt, z.B. bei eingebeulten oder Knick-Dosen
besonders kritisch wenn der Doseninhalt Säuren (z.B. Fruchtsäuren) enthält
es bilden sich herb und schal schmeckende Eisen-Salze, diese sind z.T. recht giftig
Korrosions-Schutz
Farben / nicht-metallische Schutz
Öl, Leinöl mit Mennige (Pb3O4)
metallische Schutz-Schichten / Schutz-Elektroden
kathodischer Korrosions-Schutz; bei Rohr-Leitungen, Schiffen, Heiz-Kesseln, unterirdischen
Tank-Behältern
Feuer-Verzinkung
15 µm dicke Zink-Schicht (Eisen-Zink-Legierung); da Zink eine schützende Oxid-Schicht an
seiner Oberfläche bildet, wird die Korrosion des Eisens verhindert. bei durchdringender Beschädigung der Zink-Schicht kommt es zu Ausbildung von Lokal-Elementen, die unter Auflösung des Zink's noch eine längere Zeit schützend wirken
Batterien
Akkumulatoren (Akku's)
Elektrolysen
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 112 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Wiederholungs- und Übungs-Aufgaben (z.B. zur Vorbereitung einer
Leistungs-Kontrolle
1. Stellen Sie die Säure-Base-Reaktionen den Redox-Reaktionen in einem
Vergleich gegenüber!
2. Untersuchen Sie bei den folgenden chemischen Reaktionen, ob es sich jeweils um eine Säure-Base- oder eine Redox-Reaktion handelt! Stellen Sie
die Teil-Gleichungen und die Gesamt-Gleichung auf! Beschriften Sie passend Stoffe (z.B. Säure oder Oxidationsmittel), Teilchen-Aufnahme und –
Abgabe und die Stoff-Paare!
Einige der vorgegeben "Gleichungen" sind noch nicht ausgeglichen! Korrigieren Sie diese!
Sollte es sich nicht um eine der genannten Reaktionen handeln, dann begründen Sie Ihre Meinung!
a)
b)
c)
d)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
p)
q)
3.
2 Na + Br2
2 NaBr
KOH + HBr
H2O + KBr
2 K + Cl2
2 KCl
H2SO4 + Mg(OH)2
MgSO4 + 2 H2O
Cu + 4 HNO3
Cu(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O
CuSO4 + Fe
Cu  + Fe2(SO4)3
NaOH + HBr
H2O + NaBr
Al(OH)3 + Na2SO4
Al2(SO4)3 + NaOH
H2SO4 + Fe2O3
Fe2(SO4)3 + H2O
MgO + H2O
Mg(OH) 2
2 KMnO4 + 16 HCl
2 MnCl2 + 5 Cl2  + 8 H2O + 2 KCl
Reaktion von Salzsäure mit Magnesiumoxid
Reaktion von verdünnter Salpetersäure mit Zink
Reaktion von Salpetersäure mit Magnesiumoxid
Reaktion von Phosphorsäure mit Aluminiumhydroxid
Reaktion von Kaliumpermanganat mit Salzsäure unter Freisetzung von Chlor
Reaktion von Calciumcarbonat mit Essigsäure unter Bildung von Cohlendioxid
Calciumcarbonat (z.B. Kesselstein) wird unter Zugabe von Cohlendioxid als Calciumhydrogencarbonat in Wasser gelöst
r) Reaktion von Schwefel mit Kaliumnitrat unter Bildung von Stickstoffmonoxid
s) Reaktion von Bariumoxid mit Wasser
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 113 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.5. Nachweis-Reaktionen
Nachweis-Reaktionen sind kein klassischer Reaktions-Typ, sondern eine Sammlung von
chemischen Reaktionen, die für bestimmte Elemente oder Stoffgruppen charakteristisch
sind.
In der Chemie stehen wir sehr häufig vor dem Problem, dass wir den Inhalt von Stoff-Proben
wissen müssen oder wollen. Die moderne Apparate-Chemie mit ihren Chromatographen und
Spektrometern bieten natürlich super Möglichkeiten, fast jeden Stoff oder jedes Element
noch im pg-Bereich zu erfassen. Das hat nur einen wesentlichen Nachteil, man kann die Geräte kaum bezahlen. Für die Schulchemie sind sie also kaum erreichbar. Die Chemiker hatten solche Geräte ja auch nicht immer. Früher – und so tun wir es im Wesentlichen auch in
der Schulchemie – schöpft man aus dem Wissen der vielen Reaktionen.
Für Nachweise nutzt man besonders Reaktionen, bei denen es zu Farb-Veränderungen
kommt, oder solche die mit Niederschlägen (Absetzungen) einhergehen.
Welches konkretes Reaktions-Prinzip hinter einer Nachweis-Reaktion steckt, ist nur für den
Profi wichtig. Natürlich sind Kenntnisse darüber auch für den einfachen Anwender interessant, besonders dann, wenn es darum geht, die Zuverlässigkeit eines Nachweises zu bewerten.
Von den Nachweisen muss man die Hinweis-Reaktionen unterscheiden. Sie sind gar nicht
so eindeutig, wie es uns suggeriert wird. Der Klassiker ist die Knallgas-Probe, die uns Wasserstoff anzeigen soll. Das Problem ist nur mit Luft oder Sauerstoff bilden auch noch andere
Gase explosive Gemische und die Gemische sind i.A. auch nur in bestimmten Verhältnissen
so reaktiv. Außerdem gibt es auch andere explosive Gas-Mischungen.
H2 + O2
C2H2 + O2
H2 + Cl2
H2O
Wasserstoff-Knallgas
CO2 + H2O
2 HCl
Ethin-Knallgas / Acetylen-Knallgas
Chlor-Wasserstoff-Knallgas
Die Knallgas-Probe ist also nur ein Hinweis auf Wasserstoff, der es im Ausschluß-Verfahren
vielleicht als einziger sein kann, aber eben nicht muß.
Definition(en): Nachweis / Nachweis-Reaktion
Ein Nachweis / Eine Nachweis-Reaktion ist eine chemische Reaktion oder ein System von
Reaktionen, die einen sicheren Rückschluß auf einen (nachzuweisenden) ReaktionsPartner / Stoff zulässt.
Definition(en): Hinweis / Hinweis-Reaktion
Ein Hinweis / Eine Hinweis-Reaktion ist eine chemische Reaktion oder ein System von Reaktionen, die einen wahrscheinlichen (aber nicht sicheren!) Rückschluß auf einen (zu prüfenden) Reaktions-Partner / Stoff zulässt.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 114 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.5.1. einfache Stoff-Nachweise
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 115 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.5.2. einfache Ionen-Nachweise
-
Cl
Nachweis von Chlorid-Ionen:
Nachweismittel
Bedingungen
weißer
Niederschlag
Silbernitrat-Lösung
ProbenLsg. +
Beobachtungen
Ergebnis
Chlorid-Ionen
(es reichen oft wenige
Tropfen)
farblos
(leicht gräulich)
weiß-gelblicher
Niederschlag
gelblicher
Niederschlag
Bromid-Ionen
Iodid-Ionen
anders (keine Farbveränderung)
-
Cl
kein Halogenid-Ion
-
AgCl  + NO3
+ AgNO3
… + Absicherung des Nachweises:
Nachweismittel
Niederschlag +
Bedingungen
Beobachtungen
Auflösung
des
Niederschlags
Ammoniak-Lösung
Ergebnis
Chlorid-Ionen
()
farblos
AgCl + NH3
anders
keine Chlorid-Ionen
-
[Ag(NH3)2]+ + Cl
Diaminsilber(I)-Komplex
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 116 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.5.3. Nachweise für Stoffgruppen
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 117 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
5.5.4. Nachweise für Lebensmittel-Bestandteile
Nachweis von Fett mit der Fettfleck-Probe:
Nachweismittel
Probe +
(auftropfen
oder zerdrücken)
Filterpapier
(weiß, undurchsichtig)
Bedingungen
Beobachtungen
Ergebnis
bleibender,
wahrscheinlich Fett
vorhanden
Abtrocknen eines durchscheinender
Wasserfleckes ab- Fleck
warten
(entsp. Blindprobe)
kein Fett
vorhanden
anderer Fleck
Nachweis von Fett mit Sudan-III-Lösung:
Nachweismittel
Bedingungen
Spatelspitze
Sudan-III-Pulver
Probe +
(od. 3 Tr. Sudan-III-Lsg.)
rot
(rot orange (alkoh. Lsg.))
Beobachtungen
Ergebnis
Orange- bis Rotfärbung (des Probenmaterials)
Fett
anders (keine Farb-
kein Fett
annahme)
Nachweis von Fett mit Carotin (Paprika-Pulver):
Nachweismittel
Probe +
Bedingungen
Beobachtungen
Ergebnis
Orange- bis Rotfärbung (des Probenmaterials)
Spatelspitze
Paprika-Pulver
Fett
(dunkelrot, braun)
anders
kein Fett
Nachweis von (reduzierenden) Kohlenhydraten durch die FEHLINGsche Probe:
Nachweismittel
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Bedingungen
- 118 -
Beobachtungen
Ergebnis
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Probe +
FEHLINGsche
Lösungen I und II
im Verhältnis 1:1
mischen und zusetzen
(blau)
Ziegelrotfärbung
reduzierender Stoff
(Orange-,
Gelbz.B.: Aldehyd
bis Grünfärbung)
wahrscheinlich
Glucose od.ä. KH
leicht erwärmen
Farbe unverändert
keine reduzierenden Substanzen
vorhanden
Nachweis von (reduzierenden) Kohlenhydraten durch die TOLLENS-Probe:
Nachweismittel
Probe +
mit Ammoniak
frisch basisch
gemachte Silbernitrat-Lösung
versetzen
(farblos – leicht
milchig)
Bedingungen
Beobachtungen
Ergebnis
Silberspiegel
reduzierender Stoff
(selten
grauer
z.B.: Aldehyd
Niederschlag)
wahrscheinlich
Glucose od.ä. KH
leicht erwärmen
Farbe unverändert
keine reduzierenden Substanzen
vorhanden
Nachweis von Traubenzucker mit Teststreifen (GOD-Test, Glucotest):
Nachweismittel
flüssige
Probe +
Bedingungen
GOD-Teststreifen
Beobachtungen
Ergebnis
Verfärbung
entsprechend Skala
Traubenzucker
Farbe unverändert
oder anders
kein
Traubenzucker
(siehe Packung)
Nachweis von Stärke mit LUGOLscher Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung):
Nachweismittel
Bedingungen
Beobachtungen
Blaufärbung
(ev. Schwarz)
Violettfärbung
Probe +
einige Tropfen
LUGOLsche Lösung
(hellgelb bis
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Rotfärbung
(Zimmertemperatur)
- 119 -
Ergebnis
Stärke
(Amylose)
Stärke
(Amypektin)
Stärke
(Glykogen)
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
leicht bräunlich)
anderes
keine Stärke
Nachweis von Zellulose mit Chlor-Zink-Iod-Lösung:
Nachweismittel
Bedingungen
Beobachtungen
Gelbfärbung
(ev. Braunfärbung)
Ergebnis
lignifizierte od.
suberinisierte Cellulose
(z.B. verholzte Zellwände)
Blaufärbung
einige Tropfen
Chlor-Zink-IodLösung
Probe +
()
Cellulose
Violettfärbung
Cellulose
(z.B. primäre Zellwand)
(Zimmertemperatur)
anderes
keine Cellulose
Probe auf Eiweiß mit Xanthoprotein-Reaktion:
Nachweismittel
Probe +
konzentrierte
(ev. verdünnt auf
24%ig)
Salpetersäure
(farblos)
Bedingungen
Beobachtungen
Gelbfärbung
Ausflockung
Nachweismittel
gleiche Menge 10%ige
Natronlauge zusetzen
+ einige Tropfen 10%ige
Kupfersulfat-Lösung
(hellblau)
Bedingungen
wahrscheinlich kein
Eiweiß
Beobachtungen
Violettfärbung
Ergebnis
Eiweiß
leicht erwärmen
anderes
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
Eiweiß
leicht erwärmen
anderes
Probe +
Ergebnis
- 120 -
kein Eiweiß
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Nachweis spezieller funktioneller oder Struktur-bildender Gruppen
Nachweis von Doppelbindungen mit Brom-Wasser (semiquantitativ):
Nachweismittel
Bedingungen
Brom-Wasser
(tropfenweise)
(braun)
schütteln
(Tropfen zählen)
Beobachtungen
Entfärbung
Probe +
anders
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 121 -
Ergebnis
Doppelbindung
keine
Doppelbindungen
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
komplexe Aufgaben (z.B. zur Vorbereitung auf eine Klausur):
1. Stellen Sie Reaktionsgleichungen zu den folgenden Reaktionen auf! Fehlende Ausgangsstoffe oder Reaktionsprodukte ermitteln Sie dabei eigenständig!
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
m)
n)
o)
p)
q)
r)
s)
t)
u)
v)
x)
y)
z)
Zink mit Salzsäure
Kupferoxid mit verdünnter Schwefelsäure zu Kupfersulfat
Natriumcarbonat + Salzsäure
Natriumchlorid + Cohlendioxid + Wasser
Natrium mit Sauerstoff zu Natriumoxid
Eisen + Chlor
Eisen(II)-chlorid
Verbrennung von Schwefel an der Luft zu Schwefeldioxid
Kalium + Chlor
Kaliumchlorid
Lösung von Natriumoxid in Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid
Cupfersulfid + Sauerstoff
Cupfer(I)-oxid + Schwefeldioxid
Natrium in Wasser
Verbrennung von Schwefeldioxid in Sauerstoff zu Schwefeltrioxid
Calciumhydroxid mit Cohlendioxid zu Calciumcarbonat
Lösung von Schwefeldioxid in Wasser unter Bildung von schwefliger Säure
Phosphortrichlorid mit Wasser unter Bildung von Diphosphortrioxid und Salzsäure
Silbernitrat-Lösung + Blei(IV)-chlorid
Silbernitrat + Blei(IV)-nitrat
Calcium + Salzsäure
Calciumchlorid + Wasserstoff
Verbrennung von Eisen in Chlor
Neutralisation von Natriumhydroxid mit Salzsäure
Zink mit Silbernitrat-Lösung
Stickstoff(mon)oxid mit Sauerstoff
Stickstoffdioxid
Neutralisation von Calciumhydroxid mit Phosphorsäure
Umsetzung von Cohlenmonoxid mit Sauerstoff
Aluminium + Eisen(II,III)-oxid
Eisen + Aluminiumoxid
Mangan + Schwefelsäure
Mangan(III)-sulfat + Wasserstoff
Magnesiumhydroxid mit Bromwasserstoffsäure
2. Ermitteln Sie, um welche Reaktions-Art es sich bei jeder Reaktion (von 1.)
handelt! Begründen Sie Ihre Meinung!
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 122 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Literatur und Quellen:
/1/
WÜNSCH, Prof. Dr. Karl-Heinz; MIETCHEN, Doz. Dr. Ralf; EHLERS, Dr. Dieter:
Organische Chemie – Grundkurs.- Berlin: Dt. Verl. d. Wissenschaften; 1986; 5. bericht. Aufl.
ISSN 0233-0806
/2/
FITTKAU, Dr. Siegfried:
Organische Chemie.-Jena: G. Fischer Verl.; 1984; 5., überarb. Aufl.
/3/
BOTSCH, Walter; HÖFLING, Erich; MAUCH, Jürgen:
Chemie ind Versuch, Theorie und Übung.- Frankfurt am Main: Verl. M. Diesterweg;
Aarau, Frankfurt am Main, Salzburg: Verl. Sauerländer; 1984; 2., neubearb. Aufl.
ISBN 3-425-95421-0
ISBN 3-7941-2522-3
/4/
HÄUSLER, Karl:
Chemie kompakt – Formeln, Regeln, Gesetze.-München: R. Oldenburg Verl.; 1994;
1. Aufl.
ISBN 3-486-88567-7
/5/
SCHLEIP, Alfred; KÖHLER, Georg:
Fundamentum CHEMIE – Sekundarstufe I – Lehr- und Arbeitsbuch.-Bonn: Ferd.
Dümmlers Verl.; 1994
ISBN 3-427-43101-0
/6/
LÜTHJE – GALL - REUBER:
Verf:: THOMAS, Dr. Wolfgang; QUANTE, Marion; QUANTE, Uwe; HEFELE, Gerd:
Lehrbuch der Chemie – Organische Chemie.-Frankfurt am Main: Verl. M. Diesterweg;
1983
ISBN 3-425-050496-6
/7/
WHITE, Emil H.:
Grundlagen der Chemie für Biologen und Mediziner.-Stuttgart: Kosmos – Gesell. d.
Naturfreunde; Franckh'sche Verlagshandlung; 1973.- 3. verbesserte Aufl.
ISBN 3-440-03981-1
/8/
Chemie – Lehrbuch für Klasse 9
(TEICHMANN, Jochen; OBST, Heinz; ARNDT, Barbara); Hrsg.: TEICHMANN;
Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1980; 11. Aufl.
/9/
Chemie – Lehrbuch für Klasse 8
(ARNDT, Barbara; LANGE, Peter; OBST, Heinz; TEICHMANN, Jochen);
Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1985; 6. Aufl.
/10/
Organische Chemie – Lehrbuch für die Oberschule 9. und 10. Klasse
(HRADETZKY, Albert; WOLFFGRAMM, Horst; RENNEBERG, Werner);
Berlin: Volk u. Wissen Verl.; 1967
/11/
Schüler-DUDEN: Die Chemie
Mannheim: Bibliogr. Inst. & F. A. Brockhaus; überarb. Aufl.
ISBN
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 123 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
/12/
HAFNER, Lutz:
Biochemie – Materialien für den Sekundarbereich II – Chemie.-Hannover: Schroedel
Schulbuchverl.; 1993
ISBN 3-507-10604-3
/13/
HAFNER, Lutz:
Einführung in die Organische Chemie – Unter besonderer Berücksichtigung der Biochemie – Materialien für den Sekundarbereich II – Chemie.-Hannover: Schroedel
Schulbuchverl.; 1976; 2. Aufl.
ISBN 3-507-10600-0
/14/
OEHMICHEN, Jobst:
Chemie für Landwirte.-Alfeld-Hannover: Verl. M. & H. Schaper; 1989.-2. überarb. u.
erw. Aufl.
ISBN 3-7944-0147-6
/15/
ANDERS, A.; DEIBNER, H.; PAAR, F.; SCHWARZER, J.; SINDEL, G.:
Chemie – Fachschule Technik.-Troisdorf: Bildungsverl. EINS (Stam); 1994.-2. Aufl.
ISBN 3-8237-0039-1
/16/
HACKL, Manfred; VOLKMANN, Hans; …:
Chemie für Fachoberschulen – Ausgabe B.-Stuttgart, Dresden: Klett Verl. f. Wissen u.
Bildung; 1993.-1. Aufl.
ISBN 3-12-804300-0
/17/
JÄCKL, Manfred; RISCH, Karl (Hrsg.):
Chemie heute – Sekundarbereich II.-Hannover: Schroedel Schulbuchverl.; 1991
ISBN 3-507-10618-3
/18/
HABERDITZL, W.:
Bausteine der Materie und chemische Bindung.-Berlin: Verl. d. Wiss.; 1972.Studienbücherei "Ausgewählte Lernabschnitte der Chemie"
/19/
BLASCHETTE, Armand:
Allgemeine Chemie II – Chemische Reaktionen.- Heidelberg, Wiesbaden: Quelle &
Meyer; 1993.-3. durchges. Aufl.
ISBN 3-494-02195-3 (UTB: 3-8252-1713-2)
/2/
:
ISBN
/A/
Wikipedia
http://de.wikipedia.org
Die originalen sowie detailliertere bibliographische Angaben zu den meisten Literaturquellen
sind im Internet unter http://dnb.ddb.de zu finden.
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 124 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre
Abbildungen und Skizzen entstammen den folgende ClipArt-Sammlungen:
/A/
29.000 Mega ClipArts; NBG EDV Handels- und Verlags AG; 1997
/B/
andere Quellen sind direkt angegeben.
Alle anderen Abbildungen sind geistiges Eigentum:
/I/
lern-soft-projekt: drews (c,p) 2006-2014 lsp: dre
verwendete freie Software:
Programm
Inkscape
CmapTools
ChemSketch
Hersteller:
inkscape.org (www.inkscape.org)
Institute for Human and Maschine Cognition (www.ihmc.us)
ACD Labs (Advanced Chemistry Development, Inc.) (www.acdlabs.com)
BK_SekII_allgChem_3Reaktion.docx
- 125 -
(c,p) 2009-2014 lsp: dre