Titelbild

Chemische Reaktionen

Bei einer chemischen Reaktion verbinden sich Atome oder Moleküle zu neuen Stoffen. Ein neuer Stoff liegt vor, wenn er nicht mehr durch Trennverfahren wie Aussortieren, Filtrieren oder Destillieren in seine Ausgangsbestandteile zerlegt werden kann, im Gegensatz etwa zu einem Gemisch oder Gemenge.
(Klicke auf die Bücher, um die jeweiligen Abschnitte zu lesen..

Reaktion von Natrium mit Chlor

Natrium reagiert mit Chlor

Als Beispiel für eine chemische Reaktion sei hier zunächst die Reaktion zwischen Natrium und Chlor behandelt. Schaue dir die folgende Animation wiederholt so oft an, bis du den Ablauf verstanden hast. Wähle zunächst eine kleine Anzahl an Teilchen, so kannst du genauer sehen, was geschieht. Erhöhe dann die Anzahl an Teilchen, damit du siehst, wie sich die Teilchen anordnen.

Wähle eine Teilchenzahl

Die Darstellung ist natürlich stark vereinfacht und schematisch. In Wirklichkeit läuft die Anordnung der Ionen räumlich (dreidimensional) ab. Und natürlich bewegen sich die Teilchen viel schneller in Wirklichkeit.

Auswertung

Auswertung

Beantworte folgende Fragen:

In welcher Form liegen die Chloratome zunächst vor?

In welcher Form liegen die Natriumatome zunächst vor?

Was geschieht mit den Natriumatomen zunächst?

Was geschieht, wenn ein Natriumatom auf ein Chlormolekül trifft?

Wie verändern sich die Ladungen der beteiligten Atome beim Zusammentreffen?

Wie verhalten sich die Teilchen, wenn sie geladen sind?

Wie ordnen sich die geladenen Teilchen letztlich an?



Erklärung

Erkärung

Wenn Natriumatome auf die Chlormoleküle treffen, werden diese gespalten in zwei einzelne Chloratome. Das Natriumatom reagiert mit einem Chloratom, wobei das Natriumatom ein Elektron an das Chloratom abgibt. Es entstehen dadurch geladene Teilchen, die man Ionen nennt. Entgegengesetzt geladene Ionen ziehen sich an. Die Ionen ordnen sich so an, dass jeweils entgegengesetzt geladene Ionen benachbart sind. Es entsteht ein so genannter Ionenverband, der sichtbar als Kristall erscheint.

Die folgende Animation veranschaulicht, was beim Zusammenstoß eines Natriumatoms mit einem Chloratom auf atomarer Ebene vor sich geht. Die Atome sind hierbei schematisch nach dem Atommodell von Bohr dargestellt.
Demnach hat Natrium 11 Elektronen, von denen sich zwei in der ersten, 8 in der zweiten und 1 in der dritten Schale befinden.

Das Chloratom hat 17 Elektronen und damit 7 Elektronen in der dritten Schale.

Nach der Oktettregel ist jedes Atom "bestrebt" 8 Elektronen auf der äußersten Schale zu haben, da so die Kernladung ohne Lücke sehr gut abgeschirmt wird.




Elektronenübergang von Natrium zu Chlor

Elektronenübergang von Natrium zu Chlor



Elektronenübergang von Natrium zu Chlor

Das Chloratom zieht Elektronen sehr stark an. Das liegt daran, dass seine relativ hohe Kernladung durch die mit nur 7 Elektronen besetzte Elektronenhülle nicht gut abgeschirmt ist. So kann die positive Kernladung durch eine Lücke ziemlich gut nach außen auf fremde Elektronen wirken.
Man sagt, Chlor hat eine hohe Elektronenaffinität
oder auch Elektronegativität.

Natrium hat auf seiner äußersten Elektronenschale nur ein Elektron. Die Kernanziehung wird durch die unter diesem Elektron liegende 8-ter - Schale gut abgeschirmt, so dass dieses äußere Elektron leicht abgegeben werden kann. Es ist nur wenig Energie nötig, um dieses Elektron abzulösen.
Man sagt, das Natrium hat eine geringe Ionisierungsenergie.

Wenn das Elektron vom Natrium zum Chlor gewechselt ist, ist das Natriumteilchen positiv geladen, da seine positive Kernladung die negative Ladung der Elektronen um 1 übersteigt. Es hat nach wie vor 11 Protonen im Kern aber nur noch 10 Elektronen. Man nennt es nun "Natrium-Ion".

Im Gegenzug ist das Chlorteilchen nun negativ geladen, da es ein Elektron hinzubekommen hat. Es hat 17 Protonen im Kern und 18 Elektronen in den Elektronenschalen. Man nennt es nun "Chlorid-Ion".

Natriumionen und Chloridionen sind entgegengesetzt geladen und ziehen sich deshalb gegenseitig an. Sie lagern sich deshalb zu einem Ionenverband zusammen.

Test_1_chemische_Reaktionen



Reaktion zwischen Magnesium und Chlor

Reaktion zwischen Magnesium und Chlor

Das Magnesiumatom hat in der dritten Schale zwei Elektronen. Diese zwei Elektronen sind nur locker gebunden, da darunter eine gut abschirmende 8ter-Schale liegt, und können somit leicht abgegeben werden. Auch für diese Elektronen ist nur eine geringe Ionisierungsenergie nötig.

Das Magnesiumatom kann also zwei Chloratome versorgen.

In dem entstehenden Ionenverband sind doppelt so viele Chlorid - Ionen wie Magnesium - Ionen vorhanden

Deshalb hat Magnesiumchlorid die Formel MgCl2.





Reaktionen mit Sauerstoff

Reaktionen mit Sauerstoff

Eine typische Reaktion von Magnesium ist das Verbrennen an der Luft. Dabei verbindet sich Magnesium mit dem Sauerstoff der Luft zu Magnesiumoxid.

2Mg + O2 --> 2MgO

Schauen wir uns an, was auf atomarer Ebene geschieht:




Erklärung
Wie oben erklärt, hat ein Magnesiumatom 2 Elektronen auf der äußeren Schale, die es leicht abgeben kann, da die darunter liegende Schale mit 8 Elektronen die Anziehungskraft des Kerns gut abschirmt.
Sauerstoff dagegen hat nur 6 Elektronen auf der äußeren Schale, die die Anziehung des Kerns nur unzureichend abschirmen. Deshalb zieht Sauerstoff Elektronen sehr stark an.
So wandern Elektronen von Magnesiumatom zum Sauerstoffatom hinüber. Das Sauerstoffatom kann zwei Elektronen aufnehmen, bis es eine 8-er-Elektronenschale hat, die die Anziehung des Kerns gut abschirmt. Somit kann ein Magnesiumatom genau ein Sauerstoffatom versorgen, da es genau diese 2 Elektronen abgeben kann. Deshalb lautet die Formel von Magnesiumoxid MgO, was besagt, dass auf ein Magnesiumatom genau ein Sauerstoffatom kommt.



Reaktion zwischen Kupferoxid und Eisen

Reaktion zwischen Kupferoxid und Eisenpulver

Schauen wir, was geschieht, wenn wir Kupferoxid mit Eisenpulver reagieren lassen.

Reaktion zwischen Kupferoxid und Eisenpulver

Auswertung

Auswertung

Was hast du bei der Reaktion beobachtet?

Was ist deiner Meinung nach bei der Reaktion entstanden?

Was wird aus dem Eisenpulver?

Woraus ist der neue Stoff entstanden?




Bindungsverhältnisse beim Wassermolekül

Bindungsverhältnisse beim Wassermolekül

Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ist als Knallgasreaktion bekannt. Führt man sie im Reagenzglas durch, so kann man nach einem mehr oder weniger lauten Plopp- oder Pfeifgeräusch und einer kleinen Stichflamme einen Beschlag am Reagenzglasrand beobachten, der nach einiger Zeit wieder verschwindet. Offenbar handelt es sich hierbei um Wasser.

Wasser bildet bei Normalbedingungen (20°C) keine kristalline Struktur, also kein Ionengitter. Daraus können wir schließen, dass bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff keine Ionen entstehen. Da nach wie vor das Bestreben der Atome nach einer Edelgasstruktur besteht, muss dieses ohne Ionenbildung erfüllt werden.
Es geschieht dadurch, dass die Atome sich Elektronen teilen, also gewissermaßen gemeinsam benutzen. Indem ein Waserstoffatom ein Elektron vom Sauerstoff "mitbenutzt, bekommt er eine Heliumschale und indem der Sauerstoff von zwei Wasserstoffatomen die Elektronen mitbenutzt, bekommt er die Neonschale.
Da nun alle drei Atome an den Elektronen ziehen, halten sie zusammen. Jedoch wirken nicht so starke Kräfte nach außen, weshalb die Wassermoleküle untereinander nicht so fest zusammenhalten wie Ionen im Ionengitter. Das erklärt, warum Wasser im Vergleich zum Kochsalz einen viel niedrigeren Schmelzpunkt hat. (0°C gegen 801°C)

Fortetzung

Fortsetzung

Bei jeder Bindung teilen sich die Atome ein Elektronenpaar. Deshalb wird diese Art Bindung auch Elektronenpaarbindung genannt. Aufgrund der Anordnung der Elektronen beim Sauerstoff stehen die Bindungen in einem bestimmten Winkel zueinander (104,45°), wodurch das Wassermolekül eine gewinkelte Struktur hat.

Allerdings zieht Sauerstoff Elektronen viel stärker an als der Wasserstoff. Das liegt daran, dass seine vergleichsweise große Kernladung nicht so gut abgeschirmt ist. Man sagt, der Sauerstoff habe eine hohe Elektronenaffinität oder auch Elektronegativität. Deshalb zieht er die Bindungselektronen stark zu sich herüber. Dadurch wird der Sauerstoff leicht negativ geladen und der Wasserstoff positiv. Man bezeichnet diese Bindungen als polar.
Durch die gewinkelte Struktur führt das dazu, dass das Wassermolekül eine positive und eine negative Seite hat. Man nennt solche Moleküle Dipol-Moleküle (Dipol = Zweipol).

Das Wassermolekül ist ein Dipol

Das Wassermolekül ist ein Dipol

Der Dipolcharakter der Wassermoleküle erklärt ein eigentümliches Verhalten eines Wasserstrahls, in dessen Nähe ein elektrisch geladener Stab gehalten wird. Der Wasserstrahl wird immer in Richtung des Stabs abgelenkt, egal, ob der Stab negativ geladen ist

oder ob der Stab positiv geladen ist

die Wassermoleküle drehen sich immer so, dass die entgegengesetzte Ladung zum Stab zeigt. Da diese dann näher am Stab ist, wird das Wassermolekül zumStab gezogen.

Wasser als Lösungsmittel

Wasser als Lösungsmittel

Der Dipolcharakter des Wassers ist auch der Grund dafür, dass sich salzartige Stoffe in Wasser gut auflösen. Wie wir wissen, bestehen Salze aus Ionen, also positiv und negativ geladenen Teilchen.
Kommen Wassermoleküle in die Nähe von Ionen, drehen sie sich so, dass die negative Seite, also die Sauerstoffseite des Wassers zu den positiven Ionen zeigt oder die positive Seite, also die Wasserstoffseite des Wassermoleküls zu den negativen Ionen zeigt. Das tun gleichzeitig mehrere Wassermoleküle und ziehen so die äußeren Ionen aus dem Kristallverband. Danach lagern sich weitere Wassermoleküle um das herausglöste Ion. Man nennt diesen Vorgang Solvatisieren. Das Ion wird in eine Solvathülle gehüllt. Die Teilchen sind nun so klein, dass sie nicht mehr gesehen werden können.




Alkalimetalle

Alkalimetalle

Alkalimetalle bilden die erste Hauptgruppe des Periodensystems.
Sie heißen:

  • Lithium
  • Natrium
  • Kalium
  • Rubidium
  • Caesium
  • Francium

Reaktion der Alkalimetalle mit Wasser

Was geschieht, wenn wir versuchen, ein Stück Natrium in Wasser aufzulösen? In folgender Versuchsimulation kannst du es ausprobieren.

Beobachtungen

Das Natriumstück formt sich sofort zu einer , wenn es die Wasseroberfläche berührt.

Es bewegt sich und

Die Natriumkugel wird dabei .

Wenn man ein paar Tropfen Phenolphthalein hinzufügt, wird die Lösung .

Setze die Worte ein. Wähle dabei aus den folgenden Wörtern.

pink, größer, hin, Kugel, grün, kleiner, her,

Auswertung

Dass das Natriumstück sich zu einer Kugel formt, kann man dadurch erklären, dass das Natriumstück . Flüssige Stoffe ziehen sich gewöhnlich zu einer (Tropfen) zusammen.

Aus der Tatsache, dass das Natrium schmilzt, kann man schließen, dass es bei der Reaktion sehr wird.

An der Pinkfärbung erkennen wir, dass eine entstanden ist.

Setze die Worte ein. Wähle dabei aus den folgenden Wörtern.

Base, heiß, schmilzt, Kugel, gelb, kleiner, her,

Die bei dieser Reaktion entstehende Base nennt man Natronlauge. Der Begriff 'Lauge' ist ein alter Begriff für Base und sollte in chemischen Zusammenhängen außer bei den Stoffnamen nicht mehr verwendet werden.



Als Reaktionsschema können wir formulieren:

Natrium + Wasser --> Natronlauge + Wasserstoff

In Formelschreibweise:

2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2


Genauere Erklärung der Reaktion

Genaugenommen ist die obige Schreibweise nicht korrekt. NaOH ist eigentlich ein Feststoff (bei Normalbedingungen) und entsteht, wenn man Natronlauge eindampft. Im Wasser entstehen aus dem Natrium zunächst Natriumionen, indem die Natriumatome je ein Elektron abgeben.

Na --> Na+ + e-

Wer bekommt diese Elektronen? Sie werden zunächst von Wassermolekülen auf genommen, die dann ein Wasserstoffatom abspalten.

H2O + e- --> OH- + H

Zwei Wasserstoffatome verbinden sich dann zu einem H2 - Molekül

H + H --> H2

Im Sinne einer Redoxreaktion kann man sagen, dass Natrium oxidiert wird und Wasserstoff reduziert wird.

Erdalkalimetalle

Alkalimetalle

Erdlkalimetalle bilden die zweite Hauptgruppe des Periodensystems.
Sie heißen:

Erdalkalimetall Anteil am Vorkommen aller Erdalkalimetalle
Beryllium Spuren
Magnesium 31 %
Calcium 67 %
Strontium 0,7 %
Barium 1,4 %
Spuren C5H12

Der Name der Gruppe beruht auf der Tatsache, dass diese Gruppe zwischen den Alkalimetallen und den Erdmetallen, der dritten Gruppe (Bor, Aluminium, Galium, Indium und Thalium)steht.

Erdalkalimetalle kommen in der Erdkruste recht häufig vor und sind dort mit etwa 4,16 % vertreten. Darin teilen sich die Erdalkalimetalle wie in nebenstehender Tabelle auf. Man sieht, dass Calcium das häufigste Erdalkalimetall ist. Es kommt z.B. in Kalkstein und ähnlichen Gesteinen vor. Ebenso ist Magnesium recht häufig vertreten, z.B. im Dolomit, nach dem die Berge der Dolomiten benannt sind.

Reaktion der Erdalkalimetalle mit Wasser

Reagieren die Erdalkalimetalle ähnlich heftig mit Wasser wie die Alkalimetalle? Probieren wir es aus.