Reaktionsgleichung

DIN32642
Titel	Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen
Letzte Ausgabe	Januar 1992
Zurückgezogen	ja, Datum nicht bekannt

EineReaktionsgleichungist in derChemieeine Beschreibung einerchemischen Reaktionimstöchiometrischrichtigen Verhältnis. Sie gibt inSymbolschreibweisendie Reaktionspartner (ReaktantenundProdukte) einer Stoffumwandlung an.

Eine Reaktionsgleichung wird als Gleichung betrachtet, da auf beiden Seiten des Reaktionspfeiles die gleiche Anzahl derElementsymboledes jeweiligenchemischen Elementsvertreten sein müssen und dieLadungssummeauf beiden Seiten gleich sein muss.

Die beiden Seiten der Gleichungen werden nicht durch ein Gleichheitszeichen (=) verbunden, sondern durch einen Pfeil, der die Umsatzrichtung (→) oder durch einen Doppelpfeil ($\rightleftharpoons$), der eineGleichgewichtsreaktionanzeigt. Zur Erfüllung der Stöchiometrie enthalten Reaktionsgleichungen Reaktionsstöchiometriezahlen. Diese Zahlen sind in der Regel ganzzahlig und möglichst klein, wobei die Zahl 1 meist weggelassen wird. NachDIN32642 „Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen “spricht man dann von einerKardinalgleichung.

Häufig werden auch nichtstöchiometrische Darstellungen für Reaktionen verwendet. Diese qualitativen Darstellungen werden nach DIN 32642 nicht Reaktionsgleichungen, sondernReaktionsschematagenannt. Diese Norm legt außerdem noch die BegriffeUmsatzvariable,Formelumsatzund molareReaktionsenthalpiefest.

Aufbau einer Reaktionsgleichung

Auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung stehen diechemischen Formelnder Ausgangsstoffe (Reaktanten) – auf der rechten die der Produkte. Dazwischen wird ein Reaktionspfeil geschrieben (z. B.$\longrightarrow$), der in Richtung auf die Produkte hin zeigt. Vor dieMolekülformelnoderFormeleinheitender Reaktionspartner setzt man zudem groß geschriebene Zahlen, die angeben, in welchem Verhältnis zueinander die Stoffe verbraucht oder erzeugt werden. Man bezeichnet die Zahlen als Reaktionsstöchiometriezahlen (normgerecht:Betragderstöchiometrischen Zahl) der beteiligten Stoffe. Sie müssen so gewählt werden, dass dieStoffmengen-Verhältnisse der Reaktionspartner – ihre stöchiometrischen Bedingungen – korrekt wiedergegeben werden: Für jedeschemische Elementmüssen auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung gleich vieleElementsymbole,wie auf der rechten Seite vorhanden sein. Die Zahl „Eins “als Reaktionsstöchiometriezahl wird nicht geschrieben.

Beispielsweise wird die Verbrennung vonMethan(CH₄) mitSauerstoff(O₂) zuKohlenstoffdioxid(CO₂) und Wasser (H₂O) durch die Gleichung

$\mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O}$

beschrieben. In diesem Beispiel sind fürKohlenstoffC je ein Atom (links in CH₄und rechts in CO₂), fürWasserstoffH je vier Atome (links in CH₄und rechts je 2 in beiden H₂O), sowie fürSauerstoffO ebenfalls je vier Atome (links je zwei in beiden O₂und rechts zwei in CO₂und je eines in beiden H₂O) vorhanden.

Reaktionsschema

EinReaktionsschemaberücksichtigt dagegen stöchiometrische Verhältnisse der Reaktionspartner nicht oder nur teilweise und gibt nur an, welche Edukte zu welchen Produkten reagieren. In der organischen Chemie werden dabei oft nur die kohlenstoffhaltigen Moleküle aufgeführt und die Formeln beteiligter niedermolekularer anorganischer Teilchen (z. B. Wasser) nicht graphisch dargestellt. Als Beispiel für ein solches Reaktionsschema soll die säurekatalysierteWasserabspaltungaus 2-Pentanol sein:

Reaktionsschema: Aus2-Pentanolbilden sich durch Wasserabspaltung1-Penten(links, Nebenprodukt) sowie die Hauptprodukte (E)-2-Penten (Mitte) und (Z)-2-Penten (rechts). Nicht explizit angegeben ist (a) die Säurekatalyse, (b) die Abspaltung von H₂O und (c) die in diesem Fall komplizierte Stöchiometrie.

Ein anderes Beispiel für ein Reaktionsschema ist folgendeWortgleichung:

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

Symbole

Pfeile

In Reaktionsgleichungen werden verschiedenePfeilemit folgenden Bedeutungen verwendet:

• Reaktionspfeil($\longrightarrow$)
• mehrere Reaktionspfeile ($\rightarrow \rightarrow$) 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($\Rightarrow$)

Geschwungene Pfeile zur Be­schrei­bung von Elektronenverschiebungen: Elektronenpaarverschiebung (links) und Einelektronenverschiebung (rechts)

• zur Kennzeichnung von Ein- oder Zweielektronenverschiebungen (Beschreibung vonReaktionsmechanismen,oft gebraucht in derOrganik):
  • 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:DerMesomeriepfeil($\leftrightarrow$) 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.

Zustandsangaben

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 Wasser gelöst' (engl.:aqueous)

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

Weitere Angaben

Über den Reaktionspfeil schreibt man gegebenenfalls die Reaktionsbedingungen und den eingesetztenKatalysator.Werden die Stoffe für die Reaktion erhitzt, wird dies durch ein großes Delta (Δ) über dem Reaktionspfeil gekennzeichnet. Die entstehende oder aufgewendete Reaktionsenergie wird auf die Seite geschrieben, wo sie anfällt bzw. aufgewendet werden muss.

Wird eine Reaktion durch Licht induziert, wird dies meist als hν über dem Reaktionspfeil dargestellt.

FürthermodynamischeBerechnungen wird häufig diemolare Reaktionsenthalpie(ΔH_R) mit angegeben, beispielsweise bei der Reaktionsgleichung der Knallgasreaktion

$\mathrm {2\ H_{2(g)}+O_{2(g)}\longrightarrow 2\ H_{2}O_{(l)}\,} \ \Delta H_{\mathrm {R} }=-572\,\mathrm {\frac {kJ}{mol}}$

Bei demFormelumsatzvon zwei Mol gasförmigen H₂und einem Mol gasförmigen O₂zu zwei Mol flüssigem H₂O werden also 572 kJ Energie frei. Hier ist es wesentlich, dass diePhaseder an der Reaktion beteiligten Stoffe mit angegeben wird, da bei denPhasenübergängenebenfalls Energie umgesetzt wird. Die Reaktionsenthalpie wird üblicherweise bei 25 °C angegeben. Ein positiver Wert von ΔH_RbezeichnetendothermeReaktionen, ein negativer WertexothermeReaktionen.

Verkürzte Form

An Stelle der Vollschreibweise mit kompletten Summenformeln kann man unbeteiligte Reaktionspartner weglassen, z. B.:

$\mathrm {SO_{4}^{2-}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ Cl^{-}}$

statt:$\mathrm {\ Li_{2}SO_{4}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ LiCl}$

oder:$\mathrm {\ Na_{2}SO_{4}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ NaCl}$

Es macht bei dieserFällungsreaktionkeinen Unterschied, ob Lithium- oder Natriumsulfat eingesetzt wird, da beide Salze in Wasser löslich sind und weder Lithium- noch Natriumchlorid ausfallen. Das an dieser Reaktion unbeteiligte Kation (Li⁺oder Na⁺) kann daher weggelassen werden.

Eine andere Verkürzung, welche in Systemen mit mehreren auftretenden Reaktionen genutzt wird, ist dieStöchiometrische Matrix,welche die Stöchiometrie mehrerer Reaktionsgleichungen kompakt zusammenfasst.

Nutzen von Reaktionsgleichungen: Umsatzberechnungen

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

$\mathrm {CH_{4}+2\ O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2\ H_{2}O}$

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 unterNormalbedingungen22,4 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. Beispielaufgabe:Wie viel Wasserstoff entsteht bei der Reaktion von 1 g Lithium mit Wasser?

Literatur

• Michael Wächter:Stoffe, Teilchen, Reaktionen.Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 2000,ISBN 3-582-01235-2,S. 154–169.
• Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry(„Green Book “; PDF; 2,0 MB),IUPAC.

Weblinks

Wiktionary: Reaktionsgleichung– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Allgemeine und Anorganische Chemie/ Reaktionsschema– Lern- und Lehrmaterialien

• Online-Rechnerzum Bestimmen der Koeffizienten einer stöchiometrischen Gleichung, inklusive der Beschreibung des mathematischen Hintergrunds
• Online-Rechnerzum Bestimmen der Koeffizienten einer stöchiometrischen Gleichung, mit Angabe der Massen, die miteinander reagieren. (Aufgerufen am 7. April 2013)