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Chemische Reaktion

Elemente

Wie im vorherigen Kapitel besprochen, bestehen Atome aus negativ geladenen Elektronen und einer gleichen Anzahl an positiv geladenen Protonen. Atome mit der gleichen Kernladungszahl, also der gleichen Anzahl an Protonen bezeichnet man als chemisches Element. Beispiele für chemische Elemente sind Wasserstoff (Kernladungszahl 1) oder Sauerstoff (Kernladungszahl 8).

Chemische Reaktion

Als chemische Reaktion bezeichnet man einen Vorgang, bei dem aus zwei oder mehreren Edukten ein oder mehrere Produkte mit anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften entstehen. Das Mengenverhältnis der Edukte zu dem oder den Produkt(en) ist stets konstant. Ein Beispiel für eine chemische Reaktion zwischen zwei chemischen Elementen ist die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser. Bei diesem Beispiel reagieren stets zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom zu einem Wassermolekül gemäß der folgenden Reaktionsgleichung:
Reaktionsgleichung zur Bildung von Wasser
Die an der chemischen Reaktion beteiligten Elemente werden mit ihren Abkürzungen bezeichnet. Auf der linken Seite der Reaktionsgleichung stehen die Ausgangsstoffe (Edukte) getrennt durch einen Pfeil von dem oder den Endprodukt(en) auf der rechten Seite. Chemisch miteinander verbundene Atome (=Moleküle) werden in der Reaktionsgleichung direkt zusammengeschrieben und ihr Mengenverhältnis durch tiefgestellte Zahlen angegeben. In einem Wassermolekül sind stets zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom verbunden.
Eine chemische Reaktion wird als exotherm bezeichnet, wenn im Verlauf der Reaktion Energie in Form von Wärme oder Licht freigesetzt wird. Läuft die Reaktion nur unter Zufuhr von Energie (Erhitzen, bestrahlen mit Licht) ab, so spricht man von einer endothermen Reaktion. Exotherme Reaktionen können spontan (ohne Energiezufuhr) ablaufen, während andere Reaktionen erst durch eine Energiezufuhr gestartet werden (man benötigt einen Funken, um ein Feuer zu entfachen). Die zum Start einer nicht spontan ablaufenden Reaktion benötigte Energie wird Aktivierungsenergie genannt.

Molekülbindung

Moleküle sind feste Gruppierungen von Atomen, die durch chemische Bindungen (Wechselwirkungen der Elektronenhüllen) zusammengehalten werden. Diese Atombindung oder auch kovalente Bindung wird durch ein Elektronenpaar aus je einem Valenzelektron (Valenz = Bindung) der beiden beteiligten Atome gebildet. Zwischen zwei Atomen können sich neben einer einzigen auch zwei, drei oder auch vier kovalente Bindungen ausbilden. Man spricht dann von einer Einfach-, Zweifach-, Dreifach- oder (selten) Vierfachbindung.

Ionische Bindung

Die ionische Bindung basiert auf der elektrostatischen Anziehung zwischen unterschiedlich geladenen Ionen. Bewegen sich die beteiligten Elektronen einer kovalenten Bindung in den Elektronenhüllen beider Atome, so wechselt das Elektron beim Ausbilden einer ionischen Bindung dauerhaft von der Hülle des einen Atoms zur Elektronenhülle des zweiten beteiligten Atoms. Entsprechend bilden sich zwei Ionen aus, von denen eins positiv, das andere negativ geladen ist. Anstelle nur eines Elektrons können auch mehrere Elektronen von einem zum anderen Atom wechseln. Entsprechend stärker ist die elektrostatische Kraftwirkung zwischen den beiden entstehenden Ionen.

Metallische Bindung

Ist die äußerste Elektronenschale eines Atoms nur mit ein, zwei oder drei Elektronen besetzt, ist das Bestreben der betreffenden Elemente hoch, diese Elektronen durch Eingehen einer Ionenbindung abzustoßen. Die Atome besitzen eine geringe Elektronegativität. Ist kein geeigneter Bindungspartner mit einer deutlich höheren Elektronegativität vorhanden, so gehen derartige Atome untereinander eine metallische Bindung ein. Die nur schwach an den Atomkern gebundenen Außenelektronen werden dabei von den beteiligten Atomen abgetrennt, womit ein Gitter aus positiv geladenen Ionen entsteht, den sogenannten Atomrümpfen mit ihrer Rumpfladung. Eingebettet sind die Atomrümpfe in ein Elektronengas, auch Fermigas genannt (benannt nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi). Die Elektronen der metallischen Bindung können sich in dem Gitter aus Rumpfatomen nahezu frei bewegen, man spricht daher auch von delokalisierten Elektronen und bewirken somit den Zusammenhalt der positiv geladenen Restatome. Es gibt keine einfache metallische Bindung zwischen zwei Atomen (entsprechend einer kovalenten Bindung). Metallische Bindung tritt nur unter einer großen Anzahl an Atomen auf, die gemeinsam ein Metallgitter formen.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften oder auch Stoffeigenschaften eines Elements, Ions oder Moleküls sind durch im Wesentlichen durch Reaktionen mit anderen Stoffen definiert. Dazu zählen unter anderem:
Die Reaktivität gegenüber Sauerstoff (Brennbarkeit).
Die Reaktion mit Wasser und Sauerstoff (Korrosionsbeständigkeit).
Die Reaktivität gegenüber Chlorgas.
Weiterhin zählt zu den chemischen Eigenschaften die Energiemenge, die bei der Reaktion zur Bildung des Stoffes frei wird (exotherm) oder benötigt wird (endotherm). Eine weitere Eigenschaft ist die Fähigkeit zur Bildung von H+-Ionen (=Säure) oder OH--Ionen (=Base) in wässriger Lösung.

Wasserstoff reagiert unter großer Wärmeentwicklung mit Sauerstoff oder Chlorgas. Helium, das sich von Wasserstoff durch nur ein weiteres Proton im Atomkern und entsprechend ein Elektron in der Hülle unterscheidet, reagiert dagegen mit keiner der beiden Substanzen.
Eine weitere wichtige chemische Eigenschaft ist die 1852 von dem englischen Chemiker Sir Edward Frankland eingeführte Wertigkeit eines Elements. Ursprünglich gab diese an, wie viele Atome Wasserstoff das betreffende Atom mittels kovalenter Bindungen anlagern kann. Heute wird der Begriff der Wertigkeit unter anderem um die Bindigkeit (=Anzahl der kovalenten Bindungen die von einem Atom eingegangen werden kann) oder die Oxidationszahl erweitert. Die Oxidationszahl gibt an wie viele Elektronen ein Atom innerhalb einer ionischen Bindung abgegeben beziehungsweise aufgenommen hat. Innerhalb einer kovalenten Bindung werden dabei zur Festlegung der Oxidationszahl beide Elektronen des bindenden Paares dem Atom mit der höheren Elektronegativität zugeordnet. Die Elektronegativität wiederum gibt die Fähigkeit eines Atoms an, Elektronen anzuziehen. Die Elektronegativität steigt mit der Anzahl der Protonen im Atomkern und sinkt mit dem Radius des Atoms.


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