Chemische Reaktionen

Hallo, und herzlich willkommen. Das Thema dieses Videos lautet: Chemische Reaktionen. Nach dem Film weißt du: - was eine chemische Reaktion ist - wie man eine chemische Reaktion darstellen kann - und welche Arten von chemischen Reaktionen es gibt. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, was Atome und Moleküle sind, was Elemente und Verbindungen sind, und was Reinstoffe und Gemische sind. Zunächst einmal zur Definition von chemischen Reaktionen. Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, bei dem aus einer oder mehreren Verbindungen neue Verbindungen entstehen. Ebenso können dabei aus Elementen Verbindungen entstehen und umgekehrt. Damit ist einfach nur gemeint, dass auch Elemente in ihrer Reinform an chemischen Reaktionen teilnehmen können. Oder um es ganz kurz auf den Punkt zu bringen, chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen. Chemische Reaktionen kann man anhand von Reaktionsgleichungen darstellen. An dieser Stelle mal ein ganz allgemeines Beispiel einer solchen Gleichung:  A+B->C+D. A und B sind die Ausgangsstoffe, C und D ist das, was im Laufe der Reaktion entsteht. Sowohl A als auch B als auch C als auch D können entweder ein Element oder eine Verbindung sein. Die Ausgangsstoffe nennt man auch die Edukte und das, was entsteht, nennt man die Produkte. Um zu unterscheiden, ob es sich bei einem Vorgang tatsächlich um eine chemische Reaktion handelt oder nicht, muss man ein paar Punkte beachten. Der erste lautet, dass Edukte und Produkte unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Warum soll das wichtig sein? Hier z.B. die Reaktion Methan+Sauerstoff->Kohlendioxid+Wasser. Diese Art, die chemische Reaktion einfach nur in Worten darzustellen, ist - na ja, wie soll man sagen, sehr unzureichend. Genauer wird es, wenn man die sogenannten Summenformeln der einzelnen Verbindungen verwendet. CH4 für Methan, O2 für Sauerstoff, CO2 für Kohlendioxid und H2O für Wasser. An dieser Stelle ist die Reaktionsgleichung jedoch immer noch nicht komplett, da sie noch nicht die korrekten Mengenverhältnisse wiedergibt, mit denen die verschiedenen Verbindungen miteinander reagieren bzw. in denen sie entstehen. Deshalb muss man die Gleichung noch, wie man so schön sagt, stöchiometrisch ausgleichen, indem man vor den Sauerstoff  eine 3 schreibt, und für das Wasser eine 2. Nun lautet die Gleichung: CH4+3O2->CO2+2H2O, was nichts anderes heißt, als das 1 Methanmolekül mit 3 Sauerstoffmolekülen reagiert, um 1 Kohlendioxidmolekül und 2 Wassermoleküle zu ergeben. Wie man sieht, sind im Verlauf dieser Reaktion neue Stoffe entstanden. Und zwar Kohlendioxid und Wasser. Diese Stoffe weisen dann auch neue Eigenschaften auf, die die Edukte, die Ausgangsstoffe nicht hatten. So ist Wasser z.B. eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur, während die Ausgangsstoffe beide Gase waren. Das wäre dann sozusagen eine neue physikalische Eigenschaft. Was die chemischen Eigenschaften angeht, so kann man sich z.B. das CO2 anschauen, welches eine kohlenstoffhaltige, aber nicht brennbare Verbindung ist. Das Methan, der Ausgangsstoff, war brennbar. An dieser Stelle noch ein kleiner Hinweis. Da das Aufstellen von Reaktionsgleichungen kein ganz einfaches Thema ist, möchte ich darauf hinweisen, dass es genau dazu eigene Videos gibt. Mehr dazu soll hier an dieser Stelle nicht gesagt werden. Ein weiterer Punkt, der beachtet werden muss, wenn man feststellen möchte, ob man eine chemische Reaktion vorliegen hat oder nicht, ist die Tatsache, dass chemische Reaktionen stets auf Veränderungen der Elektronenhüllen, der einzelnen Atome zurückzuführen sind. Kurzum, eine chemische Reaktion findet in der Regel nur deshalb statt, weil die Atome irgendetwas mit ihren Elektronen machen möchten. Abgeben, teilen, umgruppieren, was auch immer. Man kann sich vorstellen, dass es sehr viele Arten von Reaktionen gibt, da es ja Millionen verschiedener Verbindungen gibt. Zum Glück ähneln sich auch manche Reaktionen untereinander, weshalb man sie häufig bestimmten Reaktionstypen zuordnen kann. Von diesen Reaktionstypen seien hier einige exemplarisch aufgeführt, ohne dass diese Liste irgendeinen Anspruch auf Vollständigkeit haben würde. Begibt man sich in das Gebiet der anorganische Chemie, dann findet man da z.B. sogenannte Redoxreaktionen. Das sind Reaktionen, bei denen sich die Oxidationszahlen ändern. Ein Beispiel für eine solche Redoxreaktion wäre die Reaktion von Wasser mit Natrium zu Natriumhydroxid und Wasserstoff bzw. H2O+Na->NaOH+H2, wobei diese Gleichung noch ausgeglichen werden muss, indem man eine 2 vor das Wasser schreibt, eine 2 vor das Natrium und eine 2 vor das Natriumhydroxid. Schaut man sich nun die Oxidationszahlen der einzelnen Elemente an, so sieht man, dass die vom Wasserstoff sich von links nach rechts, von +1 nach 0 verändert hat, und die des Natriums von 0 nach +1. Damit ist das Kriterium für eine Redoxreaktion auch schon erfüllt, denn bei Redoxreaktionen ändern sich die Oxidationszahlen. Die, die sich noch nicht mit Oxidationszahlen und Redoxreaktionen auskennen, mögen an dieser Stelle bitte nicht in Panik geraten. Zu diesem Thema gibt es ein eigenes Video, das alles ganz genau erklärt. Ein anderes Beispiel sind sogenannte Säure-Base-Reaktionen, die man auch Neutralisationsreaktionen nennt, wenn also eine Säure mit einer Base reagiert. Ein Beispiel für eine Säure-Base-Reaktion ist die Reaktion zwischen Salpetersäure und Calciumhydroxid, wobei Calciumnitrat und Wasser entstehen. Als Reaktionsgleichung ausgedrückt,  2HNO3+Ca(OH)2-->Ca(NO3)2+2H2O. Salpetersäure ist eine Säure, und Calciumhydroxid ist eine Base. Säure-Base-Reaktionen, auch Neutralisationsreaktionen genannt, funktionieren immer nach demselben Schema, wobei die Säure und die Base als Reaktionsprodukte Salz und Wasser ergeben. Ein anderer Reaktionstyp der anorganischen Chemie sind sogenannte Fällungsreaktionen. D.h. Reaktionen, bei denen aus einer Lösung ein Feststoff entsteht, der dann als Niederschlag niedersinkt. Ein Beispiel für solch eine Fällungsreaktion, wäre die Reaktion zwischen Silbernitrat und Chloridionen, dabei verbindet sich das Silber mit dem Chloridion zu Siberchlorid und das Nitration bleibt übrig. Das besondere an dieser Reaktion ist nun, dass dieses Silberchlorid aus der Lösung, in der die Reaktion stattfindet, als Feststoff ausfällt. Es bildet sich ein weißer Niederschlag, d.h. unsere Lösung färbt sich auf einmal weiß. Die Eigenart einer Fällungsreaktion besteht folglich darin, dass ein fester Niederschlag ausfällt. In der Reaktionsgleichung kann man das dann als Pfeil vermerken, der nach unten weist. Ein weiterer Reaktionstyp sind fotochemische Reaktionen, das heißt Reaktionen, bei denen Licht z.B.als Auslöser der Reaktion eine Rolle spielt. Ein Beispiel für eine fotochemische Reaktion ist die altbekannte Fotosynthese. Das ist jener Prozess, der in den Pflanzen abläuft und bei dem aus Kohlenstoff und Wasser Glukose (also Zucker) und Sauerstoff entsteht. Hier durch eine vereinfachte Reaktionsgleichung dargestellt, die in Wahrheit wesentlich komplizierter ist, weil die Reaktion tatsächlich in vielen Schritten abläuft. Aber als Zusammenfassung mag das hier reichen, wobei auffällt, dass über dem Pfeil Licht steht. Ohne Licht würde diese Reaktion nicht ablaufen können und das ist ja auch der Grund, warum Pflanzen tunlichst nicht im Keller stehen sollten. Man kann an dieser Stelle also sagen: Bei fotochemischen Reaktionen liefert Licht einen Teil der notwendigen Aktivierungsenergie. Wie gesagt, es gibt noch viel mehr Reaktionstypen, und es geht jetzt hier auch gar nicht darum, dass ihr jetzt diese hier aufgeführten einzelnen Reaktionstypen genau versteht, sondern es geht einfach nur darum, dass ihr ein Gefühl dafür bekommt, wie viele verschiedenartige Reaktionen es gibt. Allein schon in der anorganischen Chemie. Nicht anders sieht es in der organischen Chemie aus. Da gibt es z.B. sogenannte Additionsreaktionen, das sind Reaktionen, bei denen aus zwei Molekülen eines wird. Ein Beispiel für eine Additionsreaktion ist die Reaktion zwischen Ethen und Iod zu 1,2-Diiodoethan. Hier noch einmal die Reaktion, dargestellt anhand der Strukturformeln. Wie man sieht, ist aus 2 Molekülen 1 geworden, und außerdem ist eine Doppelbindung verschwunden und wurde zu einer Einfachbindung. Damit ist die Eigenart einer Additionsreaktion auch schon erklärt. D.h. aus 2 Molekülen A und B wird ein drittes Molekül C, die beiden wurden zusammen addiert. Dieser Vorgang kann nur stattfinden, wenn dabei eine Doppelbindung sozusagen flöten geht. Es gibt auch Eliminierungen, also Eliminierungsreaktionen, das sind Reaktionen, bei denen aus einem Molekül ein Teil entfernt wird und dabei eine Doppelbindung entsteht. Eine Eliminierungsreaktion ist das glatte Gegenteil einer Additonsreaktion. Hier dargestellt am Beispiel der Dehydrierung von 2-Propanol. Wie man sieht, wird aus dem 2-Propanol Propen und Wasser. Das Wasser wurde aus dem ursprünglichen Propanol eliminiert, das heißt beseitigt. Eine Eliminierungsreaktion folgt also immer dem Schema: Aus einem Molekül A entstehen 2 Moleküle B und C, dabei entsteht immer eine Doppelbindung. Es gibt auch Substitutionsreaktionen, das heißt Reaktionen, bei denen ein Molekülteil durch etwas anderes ersetzt wird. Ein Beispiel für eine Substitutionsreaktion wäre die Reaktion von 2-Chlorpropan mit Natronlauge, wobei 2-Propanol und Kochsalz entsteht. Auch hier wird die Reaktion wieder anhand der Strukturformeln, der organischen Teilnehmer der Reaktion, dargestellt. Was ist bei dieser Reaktion passiert? Die eine funktionelle Gruppe wurde durch eine andere ersetzt. Das Chloratom wurde durch die Hydroxylgruppe ersetzt. Ein weiterer Reaktionstyp sind sogenannte Kondensationen. Das heißt Reaktionen, bei denen 2 Moleküle miteinander reagieren, ein großes Molekül dabei bilden, aber ein kleines Molekül, z.B. Wasser, dabei abgespalten wird. Ein Beispiel für solch eine Kondensation ist die altbekannte Veresterung. Dabei reagieren ein Alkohol, in unserem Beispiel Ethanol und eine Säure, in unserem Beispiel Essigsäure, zu einem Ester, der in unserem Beispiel Essigsäure Ethylester ist und Wasser. Aus zwei mittelgroßen Molekülen, nämlich dem Alkohol und der Säure, ist ein wesentlich größeres Molekül entstanden, nämlich der Ester, und ein klitzekleines, das Wasser. Nachdem ich nun recht ausführlich erklärt habe, was Reaktionen alles sind bzw. was sie alles sein können, und wie viele Typen es davon gibt, noch ein paar Worte dazu, was keine chemischen Reaktionen sind.  Was aber dennoch häufig, fälschlicherweise dafürgehalten wird. Dazu gehören sogenannte physikalische Umwandlungen, z.B. Änderungen des Aggregatzustandes oder auch Mischungsvorgänge. Bei derartigen Prozessen ändert sich zwar irgendetwas, aber die chemischen Eigenschaften bleiben gleich. Folglich ist es keine chemische Reaktion. Wenn ich also flüssiges Wasser so lange erhitze, bis es verdampft, dann ist das keine chemische Reaktion, sondern einfach nur eine Änderung des Aggregatzustandes, eine physikalische Umwandlung ist das. Auch wenn ich einen Teelöffel Zucker in ein Glas Wasser gebe, umrühre und warte, bis sich der Zucker gelöst hat, dann handelt es sich auch hier um keine chemische Reaktion, sondern einfach nur um einen Mischungsvorgang. Die chemischen Eigenschaften der teilnehmenden Stoffe haben sich nicht verändert. Vorhin hatten wir ja gesagt, dass chemische Reaktionen stets mit einer Veränderung der Elektronenhülle oder der Elektronenverteilung der betreffenden Atome einhergeht. Daraus folgt dann aber auch, dass radioaktive Zerfallsprozesse keine chemischen Reaktionen sind. Bei solchen Vorgängen ändert sich nämlich immer nur der Atomkern. Die Elektronenhülle bleibt unverändert. Auch hierbei handelt es sich also um einen physikalischen Vorgang, nicht um einen chemischen. Usw., usw. Auch dies soll nur ein kleiner Überblick darüber sein, was möglich ist in der Chemie und welche verschiedenartigen Reaktion stattfinden. Damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was eine chemische Reaktion ist, wie man eine chemische Reaktion darstellt (nämlich als Reaktionsgleichung) und welche Reaktionstypen es gibt, wobei wir hier nur einen ganz groben Überblick gegeben haben, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie verschiedenartig chemische Reaktionen überhaupt sein können. Vielen dank fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!