Reaktionsgleichung

In der Chemie ist eine Reaktionsgleichung – auch Reaktionsschema genannt – die Kurzschreibweise für eine chemische Reaktion. Sie gibt die Edukte und Produkte einer Stoffumwandlung in Formelschreibweise wieder, ist international einheitlich und wird von allen Chemikern verstanden. Da Edukte und Produkte bei einer Stoffumwandlung jedoch nicht gleich sind, wird aus didaktischen Gründen die Bezeichnung Reaktionsschema bevorzugt.

Sind die Beträge der stöchiometrischen Koeffizienten in der Gleichung ganzzahlig und möglichst klein, spricht man nach der DIN 32642 von einer Kardinalgleichung.

Aufbau einer Reaktionsgleichung

Der Aufbau einer Reaktionsgleichung (eines Reaktionsschemas) folgt in der Chemie bestimmten Regeln. Zusammenfassend lässt sich sagen:

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 kennzeichnet, in welche Richtung die Reaktion abläuft. 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 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. Die „stöchiometrischen Koeffizienten“ werden in DIN 32642 stöchiometrische Zahlen genannt.

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.

Mögliche Zusatzangaben in Reaktionsgleichungen

Zur Verdeutlichung werden, sofern nicht für den betrachtenden Fall unerheblich, die Phasen der Reaktanden in Kurzbeschreibung im Reaktionsschema mit angegeben.

Über den Pfeil 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 (eng.: liquid) 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 der Chemie werden in Reaktionsgleichungen verschiedene Pfeile verwendet, deren Bedeutung genau festgelegt ist:

• 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.
• Mesomeriepfeil (↔)
• 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 symbolsiert die Verschiebung eines einzelnen Elektrons.

Außer diesen Pfeilen, die den Ablauf der Reaktion betreffen, gibt es auch Pfeile wie in den folgenden Gleichungen, die übrigens dem Abschnitt "Weitere Gleichungen" entnommen sind:

$\mathrm{CO_3^{2-} + 2 \ HCl \longrightarrow CO_2 \uparrow + 2 \ Cl^- + H_2O}$

$\mathrm{SO_4^{2-} + BaCl_2 \longrightarrow BaSO_4 \downarrow + 2 \ Cl^-}$

Der Aufwärtspfeil zeigt an, dass das entsprechende Reaktionsprodukt die Lösung gasförmig nach oben verlässt, wie Kohlenstoffdioxid in der ersten Gleichung. Der Abwärtspfeil deutet auf einen Niederschlag hin, also auf einen Feststoff, der aus der Lösung ausfällt, wie das Bariumsulfat in der zweiten Gleichung.

Weitere Gleichungen

An Stelle der Vollschreibweise mit kompletten Summenformeln kann man nicht mitreagierende Kationen oder Anionen auch aus der Reaktionsgleichung herauskürzen. 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

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

• Online Rechner zum Bestimmen der Koeffizienten einer stöchiometrischen Gleichung, inklusive der Beschreibung des mathematischen Hintergrunds
• Netchemie Formelmaker - Struktur- und Reaktionsgleichungen einfach aufstellen

Literatur

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