Reaktionsgleichung

In der Chemie ist eine Reaktionsgleichung die Kurzschreibweise für eine chemische Reaktion. Sie gibt die Edukte (besser: Reaktanten) und Produkte einer Stoffumwandlung in Formelschreibweise wieder und ist international einheitlich. Da Edukte und Produkte bei einer Stoffumwandlung jedoch nicht gleich sind, wird aus didaktischen Gründen oft die Bezeichnung Reaktionsschema benutzt; jedoch soll der Begriff Reaktionschema nach DIN 32642 "Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen" vom Januar 1992 nur für eine qualitative Beschreibung einer chemischen Reaktion benutzt werden.

Sind die Beträge der stöchiometrischen Koeffizienten in der Gleichung ganzzahlig und möglichst klein, spricht man nach DIN 32642 von einer Kardinalgleichung. Diese Norm unterteilt die Reaktionspartner nicht in Reaktanten (Edukte) und Produkte; sie legt außerdem noch die Begriffe Umsatzvariable, Formelumsatz und molare Reaktionsenthalpie fest und enthält sechs Beispiele für die qualitative Beschreibung durch Reaktionsschemata.

Aufbau einer Reaktionsgleichung

Auf der linken Seite stehen die chemischen Summenformeln der Ausgangsstoffe (Edukte) – auf der rechten die Summenformeln der Produkte. Dazwischen wird ein Reaktionspfeil geschrieben (z. B. $ \longrightarrow $), der in Richtung auf die Produkte hin zeigt. Vor die Formeln setzt man zudem groß geschriebene Zahlen, die angeben, wie viele Moleküle des jeweiligen Stoffes oder wie viel Stoffmenge (in Mol) jeweils benötigt, verbraucht oder erzeugt werden. Man bezeichnet sie als stöchiometrische Koeffizienten (normgerecht: stöchiometrische Zahlen) der beteiligten Stoffe. Sie müssen so gewählt werden, dass die Stoffmengen-Verhältnisse der Reaktionspartner - ihre stöchiometrischen Bedingungen - korrekt wiedergegeben werden: Für jedes chemische Element müssen auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung gleich viele Atome wie auf der rechten Seite vorhanden sein. Die Zahl „Eins“ als stöchiometrischer Koeffizient wird nicht geschrieben.

Beispielsweise wird die Verbrennung von Methangas (Formel: CH4) und Sauerstoffgas (Formel: O2) zu Kohlenstoffdioxid und Wasser durch die Gleichung

$ \mathrm{CH_4 + 2 \ O_2 \longrightarrow CO_2 + 2 \ H_2O} $

beschrieben. In diesem Beispiel sind für Kohlenstoff C je ein Atom (links in CH4 und rechts in CO2), für Wasserstoff H je vier Atome (links in CH4 und rechts je 2 in beiden H2O), sowie für Sauerstoff O ebenfalls je vier Atome (links je zwei in beiden O2 und rechts zwei in CO2 und je eines in beiden H2O) vorhanden.

Ein Reaktionsschema berücksichtigt dagegen stöchiometrische Verhältnisse der Reaktionspartner nicht oder nur teilweise und gibt nur an, welche Edukte zu welchen Produkten reagieren. Beispielsweise ist folgende Wortgleichung ein Reaktionsschema:

$ \mathrm{Methan + Sauerstoff \longrightarrow Kohlenstoffdioxid + Wasser} $

Mögliche Zusatzangaben in Reaktionsgleichungen

Zur Verdeutlichung können hinter den chemischen Symbolen oder Formeln in runden Klammern Modifikationen, Aggregatzustände oder Lösungszustände angegeben werden. Hierfür sind nach DIN 32642 folgende Abkürzungen gebräuchlich:

  • g für gasförmig (engl.: gaseous)
  • l für flüssig (engl.: liquid)
  • s für fest (engl.: solid)
  • aq für 'in wäßriger Lösung' (engl.: aqueous)

Entstehende Feststoffe (bzw. Gase) dürfen normgerecht auch mit einem nachgestellten nach unten (bzw. oben) gerichteten Pfeil gekennzeichnet werden.

Über den Reaktionspfeil schreibt man gegebenenfalls die Reaktionsbedingungen, wie z. B. das Zuführen von Aktivierungsenergie. Die entstehende oder aufgewendete Reaktionsenergie wird auf die Seite geschrieben, wo sie anfällt bzw. aufgewendet werden muss.

Für thermodynamische Berechnungen wird häufig die Reaktionsenthalpie mit angegeben, beispielsweise bei der Reaktionsgleichung der Knallgasreaktion

$ \mathrm{2 \ H_{2(g)} + O_{2(g)} \longrightarrow 2 \ H_2O_{(l)} \ , \Delta H = -286 \ \frac{kJ}{mol}} $

Bei der Bildung von einem Mol flüssigem H2O aus gasförmigen H2 und O2 werden also 286 kJ Energie frei. Hier ist es wesentlich, dass die Phase der an der Reaktion beteiligten Stoffe mit angegeben wird, da bei den Phasenübergängen ebenfalls Energie umgesetzt wird. Die Reaktionswärme ΔH wird üblicherweise bei 25 °C angegeben. Ein positiver Wert von ΔH bezeichnet endotherme Reaktionen, ein negativer Wert exotherme Reaktionen.

In Reaktionsgleichungen werden verschiedene Pfeile mit folgenden Bedeutungen verwendet:

  • Reaktionspfeil (→)
  • mehrere Reaktionspfeile (→ →) beschreiben eine Reaktionssequenz, also eine Abfolge mehrerer Einzelreaktionen zwischen Edukt und Produkt
  • Hin- und Rückreaktion ($ \rightleftarrows $), die Reaktion kann durch veränderte Reaktionsbedingungen in die eine oder andere Richtung ablaufen.
  • Gleichgewichtspfeil ($ \rightleftharpoons $), wird verwendet, wenn sich bei den vorgegebenen Bedingungen ein Reaktionsgleichgewicht einstellt.
  • Retrosynthesepfeil ($ \Rightarrow $)
  • zur Kennzeichnung von Ein- oder Zweielektronenverschiebungen (Beschreibung von Reaktionsmechanismen, oft gebraucht in der Organik):
    • Geschwungener Pfeil mit ganzer Spitze ($ \curvearrowright $) symbolisiert die Verschiebung eines Elektronenpaars (= zwei Elektronen).
    • Geschwungener Pfeil mit halber Spitze symbolisiert die Verschiebung eines einzelnen Elektrons.

Anmerkungen: Der Mesomeriepfeil (↔) beschreibt keine chemische Reaktion und wird insofern nicht in Reaktionsgleichungen verwendet.- Von diesen Pfeilen sind nur der Reaktionspfeil und die Gleichgewichtspfeile (zwei parallele, entgegengesetzt gerichtete Pfeile mit Halbspitzen) normgerecht nach DIN 32642; soll zum Ausdruck kommen, dass die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion sehr groß oder sehr klein ist, kann dies durch unterschiedliche Pfeillängen der Gleichgewichtspfeile ausgedrückt werden.

Verkürzte Form

An Stelle der Vollschreibweise mit kompletten Summenformeln kann man ungeändert bleibende Reaktionspartner weglassen. Auf diese Weise erstellte Reaktionsgleichungen lauten z. B.:

$ \mathrm{2 \ I^- + Cl_2 \longrightarrow I_2 + 2 \ Cl^-} $
$ \mathrm{CO_3^{2-} + 2 \ HCl \longrightarrow CO_2 \uparrow + 2 \ Cl^- + H_2O} $
$ \mathrm{S^{2-} + Pb(NO_3)_2 \longrightarrow PbS + 2 \ NO_3^-} $
$ \mathrm{SO_4^{2-} + BaCl_2 \longrightarrow BaSO_4 \downarrow + 2 \ Cl^-} $
$ \mathrm{SO_3^{2-} + H_2SO_4 \longrightarrow SO_2 + H_2O + SO_4^{2-}} $
$ \mathrm{4 \ Fe^{3+} + 3 \ K_4[Fe(CN)_6] (aq) \longrightarrow Fe_4[Fe(CN)_6]_3 + 12 \ K^+} $

Nutzen von Reaktionsgleichungen: Umsatzberechnungen

Um den Stoffumsatz bei einer Reaktion zu berechnen, wird die Reaktionsgleichung mit Hilfe von Stoffmengen-Angaben in Mol benutzt. Grundlagen dieser Rechenmethode finden sich im Artikel Stöchiometrie (Fachrechnen Chemie). Als Beispiel wird hier die oben beschriebene Reaktionsgleichung der Verbrennung von Methangas genommen. Das Reaktionsschema lautet:

$ \mathrm{CH_4 + 2 \ O_2 \longrightarrow CO_2 + 2 \ H_2O} $

Es besagt qualitativ: Methan und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Es besagt quantitativ: 1 Mol Methan und 2 Mol Sauerstoff ergeben 1 Mol Kohlenstoffdioxid + 2 Mol Wasser.

Da 1 Mol C 12 g wiegt, 1 Mol Methan 16 g, 1 Mol Sauerstoff 32 g, 1 Mol Wasser 18 g und 1 Mol Kohlenstoffdioxid 44 g, so besagt es auch:

16 g Methan + 64 g Sauerstoff ergeben 44 g Kohlenstoffdioxid + 36 g Wasser.
Aus 80 g Ausgangsstoffen (Edukten) entstehen 80 g Endstoffe (Produkte). Je 16 g oxidiertes Methan entstehen 44 g Kohlenstoffdioxid.

Da 1 Mol Gas unter Normalbedingungen 22,4 L Raum einnimmt, besagt das Reaktionsschema auch:

22,4 L Methan + 44,8 L Sauerstoff ergeben 22,4 L Kohlenstoffdioxid + 44,8 L Wasserdampf.

Ähnliche Umsatzberechnungen sind für jede andere chemische Reaktion möglich, deren Reaktionsschema erstellt worden ist. So lassen sich erforderliche Rohstoffmengen oder theoretisch erzielbare Produktmengen (bei 100%iger Ausbeute) über Reaktionsschemen und molare Massen berechnen. Für die Beispielaufgabe Wie viel Wasserstoff entsteht bei der Reaktion von 1 g Lithium mit Wasser? findet sich ein solches Beispiel im Artikel zur Stöchiometrie.

Weblinks

  • Online Rechner zum Bestimmen der Koeffizienten einer stöchiometrischen Gleichung, inklusive der Beschreibung des mathematischen Hintergrunds

Literatur

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