#003 - Was ist eine chemische Reaktion?

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Ohne chemische Reaktionen gibt es keine Chemie. In dieser Folge möchte ich die Frage klären, was chemische Reaktionen sind. Dabei nutzen wir die Gelegenheit, um auch andere Fragen zu klären.

In der zweiten Folge sind wir der Frage nachgegangen, woher die Elemente kommen. Wir sind weiterhin im atomaren Bereich, also dem chemisch unteilbaren Stoff. Doch: wie groß sind eigentlich Atome?

Je nach Element ist der Durchmesser eines Atoms unterschiedlich groß. Die Größe liegt zwischen 6 ·10⁻¹¹m und 5 ·10⁻¹⁰m. Dies als „winzig“ zu bezeichnen ist extrem übertrieben.

6 ·10⁻¹¹m = 0,000 000 000 06m oder 0,000 000 006cm oder 0,000 000 06mm oder 0,000 06 Mikrometer

Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat etwa 30-80 Mikrometer. Nehmen wir den Mittelwert von 55 Mikrometern, dann liegen im Querschnitt rund 917 000 Atome aufeinander.

Atome sind nicht nur extrem klein, sondern auch sehr leicht. Ein Wasserstoffatom hat ein Gewicht von 1,7 ·10⁻²⁷kg. Da mit solchen Zahlen niemand praktikabel rechnen kann, muss ich an dieser Stelle vorgreifen.

Wer mal ein Periodensystem zur Hand nimmt, sieht, dass bei den Elementen eine Atommasse dran steht. Die Atommasse von Eisen beträgt beispielsweise 55,845. Damit ist nicht ein Atom gemeint, sondern die sogenannte Molare Masse. Das heißt, dass ein Mol Eisen 55,845 g wiegen.

Ein Mol ist, vereinfacht gesagt, ein Faktor und steht für die Zahl 6,022·10²³. Das heißt, dass 6,022·10²³ Eisen Atome 55,845 g wiegen.

Molare Massen können sich auf einzelne Elemente, aber auch auf Verbindungen beziehen. Eines der bekanntesten Verbindungen ist Wasser, das H₂O. Es besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. 1Mol H₂O wiegt dabei ziemlich genau 18g. Das bedeutet, dass wir in 18g Wasser 6,022·10²³ Wassermoleküle haben. Das sind also rund 602 Trilliarden Moleküle in 18ml Wasser!

Wenn wir beim Thema „Stoffmengenkonzentration“ ankommen, werden wir das weiter vertiefen. Ich denke aber, dass Sie nun eine Vorstellung davon haben, in welchen Größenordnungen wir uns bewegen.

Eine andere, sehr bekannte chemische Verbindung ist das Kochsalz. Natriumchlorid, NaCl, ist eine Verbindung aus Natrium und Chlor. Diese Verbindung wird für den Rest der Folge als Beispiel herhalten.

Natrium ist ein Alkalimetall. In reiner Form ist es fest, man kann es also anfassen, greifen. Chlor hingegen ist ein Halogenen, ein Gas. Chlorgas wurde beispielsweise im ersten Weltkrieg als Giftgas eingesetzt.

Nun kennen wir ein wenig die beiden Ausgangsstoffe. Das relativ harmlos wirkende Natrium und das Giftgas Chlor. Diese zwei unterschiedlichen Elemente ergeben zusammen die für uns lebenswichtige Verbindung Natriumchlorid ein. Doch was passiert dabei genau?

Das Halogen Chlor nimmt sich ein Elektron vom Alkalimetall Natrium. Die Verbindung der beiden Elemente besteht nun darin, dass das Chlor ein Elektron des Natriums an sich zieht. Da das Natrium nicht komplett auf das Elektron verzichten kann, wird es vom Chlor von nun an angezogen. Im Kern geht es bei jeder chemischen Verbindung genau darum: Den Austausch von Elektronen.

Atome, wie sie im Periodensystem aufgelistet werden, sind nach Außen hin elektrisch neutral. Sie besitzen im Kern ebenso viele Protonen wie außen Elektronen. Ein Atom, das nicht mehr neutral ist, nennt man ein Ion. Ein paar Nerds werden hier vielleicht an Ionenstürme aus Star Trek erinnert.

Es ist wichtig zu wissen, dass sich auch die Bezeichnungen ändern. Das Natrium wird zum Natrium-Ion, das Chlor zum Chlorid-Ion, oder kurz Chlorid.

Zur Verdeutlichung: Chlor = Atom, Chlorid = Ion.

Positiv geladene Ionen nennt man Kationen, negativ geladene Ionen Anionen. Das Kation und das Anion bilden ein sogenanntes Ionenpaar, die kleinste Einheit einer Ionenbindung.

Um den Anschein der Vollständigkeit zu wahren, sollte man noch wissen, dass man mit Ionen auch Teilverbindungen meinen kann. Ein Beispiel hierfür ist das Sulfat. Sulfat (SO₄^2-) ist ein Anion, besteht aber aus einem Schwefel und vier Sauerstoffatomen. Das Sulfat-Anion kommt in zahlreichen Verbindungen vor, wie etwa dem Natriumsulfat oder der Schwefelsäure.

Es gibt verschiedene chemische Bindungsarten, die Ionenbindung ist nur eine davon. Diese Bindungsarten werden in späteren Folgen alle genau erklärt. Wichtig ist momentan zu wissen, dass es bei chemischen Reaktionen immer um den Austausch von Elektronen geht. Diese Reaktionen können natürlich auch rückgängig gemacht werden, beispielsweise durch Elektrolyse. Bei diesem Vorgang kann man dem Natrium sein Elektron zurückgeben und es auf der anderen Seite dem Chlorid nehmen.

Zum Ende dieser Folge möchte ich noch unsere erste Reaktionsgleichung festhalten.

2Na + Cl₂ → 2NaCl

Warum wir nun zwei Natrium- und zwei Chloratome genommen haben und warum die eine Zahl vor dem Symbol steht und die andere dahinter, erfahren Sie, wenn wir bei den Reaktionsgleichungen sind. In der nächsten Folge machen wir zunächst einen weiteren Zwischenstopp und sprechen über Aggregatzustände.

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