Reaktionsgleichung

Grundidee und Aufbau

Eine Reaktionsgleichung beschreibt in der Chemie eine chemische Reaktion im stöchiometrisch richtigen Verhältnis. Sie zeigt mit chemischen Symbolen, welche Stoffe miteinander reagieren, also die Reaktanten oder Edukte, und welche Stoffe dabei entstehen, also die Produkte. Wichtig ist: Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils müssen für jedes chemische Element gleich viele Atome vorkommen, und auch die Ladungssumme muss auf beiden Seiten gleich sein.

Links stehen die chemischen Formeln der Ausgangsstoffe, rechts die Formeln der Produkte. Dazwischen steht ein Reaktionspfeil, der in Richtung der Produkte zeigt. Vor den Formeln können große Zahlen stehen. Diese heißen Reaktionsstöchiometriezahlen; normgerecht nennt man sie den Betrag der stöchiometrischen Zahl. Sie geben an, in welchem Mengenverhältnis Stoffe verbraucht oder gebildet werden. Die Zahl 1 wird normalerweise nicht geschrieben. Sind diese Zahlen ganzzahlig und möglichst klein, spricht DIN 32642 von einer Kardinalgleichung.

Ein Beispiel ist die Verbrennung von Methan: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Hier ist die Gleichung ausgeglichen: links und rechts gibt es je 1 Kohlenstoffatom, je 4 Wasserstoffatome und je 4 Sauerstoffatome.

Reaktionsgleichung und Reaktionsschema

Nicht jede Darstellung einer chemischen Reaktion ist eine vollständige Reaktionsgleichung. Ein Reaktionsschema gibt nur qualitativ an, welche Edukte zu welchen Produkten reagieren. Die stöchiometrischen Verhältnisse werden dabei nicht oder nur teilweise berücksichtigt. Nach DIN 32642 werden solche Darstellungen deshalb nicht als Reaktionsgleichungen bezeichnet.

In der organischen Chemie werden in Reaktionsschemata häufig nur die kohlenstoffhaltigen Moleküle dargestellt. Kleine anorganische Teilchen, zum Beispiel Wasser, werden oft nicht vollständig eingezeichnet. Beim Beispiel der säurekatalysierten Wasserabspaltung aus 2-Pentanol entstehen 1-Penten als Nebenprodukt sowie (E)-2-Penten und (Z)-2-Penten als Hauptprodukte. Nicht ausdrücklich angegeben sind dabei die Säurekatalyse, die Abspaltung von H2O und die komplizierte Stöchiometrie.

Auch eine Wortgleichung ist ein Reaktionsschema, zum Beispiel: Methan + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser. Sie zeigt die beteiligten Stoffe, aber nicht die genauen Stoffmengenverhältnisse.

Pfeile und Symbole

In Reaktionsgleichungen und verwandten Darstellungen haben Pfeile bestimmte Bedeutungen. Der einfache Reaktionspfeil → zeigt die Umsatzrichtung an, also von den Edukten zu den Produkten. Mehrere Reaktionspfeile hintereinander beschreiben eine Reaktionssequenz, also eine Folge mehrerer Einzelreaktionen zwischen Edukt und Produkt.

Ein Pfeil für Hin- und Rückreaktion zeigt, dass die Reaktion je nach Bedingungen in die eine oder andere Richtung ablaufen kann. Der Gleichgewichtspfeil ⇌ wird verwendet, wenn sich unter den gegebenen Bedingungen ein Reaktionsgleichgewicht einstellt. Ein Retrosynthesepfeil ⇒ wird in der Retrosynthese benutzt.

Geschwungene Pfeile beschreiben Elektronenverschiebungen in Reaktionsmechanismen, besonders in der organischen Chemie. Ein geschwungener Pfeil mit ganzer Spitze steht für die Verschiebung eines Elektronenpaars, also von zwei Elektronen. Ein geschwungener Pfeil mit halber Spitze steht für die Verschiebung eines einzelnen Elektrons.

Der Mesomeriepfeil ↔ beschreibt keine chemische Reaktion und wird daher nicht in Reaktionsgleichungen verwendet. Nach DIN 32642 sind nur der Reaktionspfeil und die Gleichgewichtspfeile normgerecht; unterschiedlich lange Gleichgewichtspfeile können ausdrücken, dass die Gleichgewichtskonstante sehr groß oder sehr klein ist.

Zustände, Bedingungen und Energie

Zur genaueren Beschreibung können hinter chemischen Symbolen oder Formeln in Klammern Zustandsangaben stehen. Nach DIN 32642 sind gebräuchlich: g für gasförmig, l für flüssig, s für fest und aq für „in Wasser gelöst“. Entstehende Feststoffe können außerdem mit einem nach unten gerichteten Pfeil ↓, entstehende Gase mit einem nach oben gerichteten Pfeil ↑ gekennzeichnet werden.

Über dem Reaktionspfeil können Reaktionsbedingungen und Katalysatoren angegeben werden. Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion beeinflusst, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden. Wird eine Reaktion erhitzt, kann dies durch ein großes Delta Δ über dem Reaktionspfeil gezeigt werden. Wird sie durch Licht ausgelöst, steht häufig hν über dem Pfeil.

Auch die Reaktionsenergie kann angegeben werden. Für thermodynamische Berechnungen wird häufig die molare Reaktionsenthalpie ΔHR genannt. Bei der Knallgasreaktion lautet die Gleichung: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l), ΔHR = -572 kJ/mol. Beim Formelumsatz von zwei Mol gasförmigem H2 und einem Mol gasförmigem O2 zu zwei Mol flüssigem H2O werden 571,660 kJ Energie frei. Die Phase der Stoffe ist dabei wichtig, weil auch bei Phasenübergängen Energie umgesetzt wird. Die Reaktionsenthalpie wird üblicherweise bei 25 °C angegeben. Ein positiver Wert von ΔHR bedeutet endotherm, also energieaufnehmend; ein negativer Wert bedeutet exotherm, also energiefreisetzend.

Verkürzte Schreibweisen

Reaktionsgleichungen können verkürzt werden, wenn bestimmte Teilchen an der eigentlichen Reaktion nicht beteiligt sind. Statt vollständiger Summenformeln schreibt man dann nur die Teilchen auf, die für die beobachtete Reaktion wichtig sind.

Ein Beispiel ist eine Fällungsreaktion mit Sulfat und Bariumchlorid: SO4^2- + BaCl2 → BaSO4↓ + 2 Cl- Dies kann anstelle von Gleichungen mit Li2SO4 oder Na2SO4 geschrieben werden, etwa: Li2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2 LiCl oder Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2 NaCl.

Ob Lithium- oder Natriumsulfat eingesetzt wird, macht hier keinen Unterschied, weil beide Salze in Wasser löslich sind und weder Lithium- noch Natriumchlorid ausfallen. Das unbeteiligte Kation, also Li+ oder Na+, kann deshalb weggelassen werden.

Eine weitere verkürzte Darstellung für Systeme mit mehreren Reaktionen ist die stöchiometrische Matrix. Sie fasst die Stöchiometrie mehrerer Reaktionsgleichungen kompakt zusammen.

Umsatzberechnungen

Reaktionsgleichungen sind nützlich, um den Stoffumsatz einer Reaktion zu berechnen. Dafür verwendet man Stoffmengenangaben in Mol. Ein Mol ist eine chemische Mengeneinheit. Aus den stöchiometrischen Zahlen kann man ablesen, in welchem Verhältnis Stoffe reagieren und entstehen.

Beim Beispiel der Methanverbrennung gilt: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O. Qualitativ bedeutet das: Methan und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Quantitativ bedeutet es: 1 Mol Methan und 2 Mol Sauerstoff ergeben 1 Mol Kohlenstoffdioxid und 2 Mol Wasser.

Mit molaren Massen kann man daraus Massenverhältnisse berechnen. Da 1 Mol Methan 16 g wiegt, 1 Mol Sauerstoff 32 g, 1 Mol Kohlenstoffdioxid 44 g und 1 Mol Wasser 18 g, ergibt sich: 16 g Methan + 64 g Sauerstoff ergeben 44 g Kohlenstoffdioxid + 36 g Wasser. Aus 80 g Edukten entstehen also 80 g Produkte. Außerdem entstehen je 16 g oxidiertes Methan 44 g Kohlenstoffdioxid.

Für Gase kann man auch Volumenverhältnisse nutzen. Da 1 Mol Gas unter Normalbedingungen 22,4 L einnimmt, gilt: 22,4 L Methan + 44,8 L Sauerstoff ergeben 22,4 L Kohlenstoffdioxid + 44,8 L Wasserdampf. Solche Rechnungen sind für jede chemische Reaktion möglich, deren Reaktionsschema bekannt ist. Damit lassen sich benötigte Rohstoffmengen oder theoretisch erreichbare Produktmengen bei 100%iger Ausbeute berechnen.