Reaktionsgleichung

Eine Reaktionsgleichung ist in der Chemie eine Beschreibung einer chemischen Reaktion im stöchiometrisch richtigen Verhältnis. Sie gibt in Symbolschreibweisen die Reaktionspartner (Reaktanten und Produkte) einer Stoffumwandlung an.

DIN 32642
Titel	Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen
Letzte Ausgabe	Januar 1992
Zurückgezogen	ja, Datum nicht bekannt

Eine Reaktionsgleichung wird als Gleichung betrachtet, da auf beiden Seiten des Reaktionspfeiles die gleiche Anzahl der Elementsymbole des jeweiligen chemischen Elements vertreten sein müssen und die Ladungssumme auf 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 eine Gleichgewichtsreaktion anzeigt. Zur Erfüllung der Stöchiometrie enthalten Reaktionsgleichungen Reaktionsstöchiometriezahlen. Diese Zahlen sind in der Regel ganzzahlig und möglichst klein, wobei die Zahl 1 meist weggelassen wird. Nach DIN 32642 „Symbolische Beschreibung chemischer Reaktionen“ spricht man dann von einer Kardinalgleichung.

Häufig werden auch nichtstöchiometrische Darstellungen für Reaktionen verwendet. Diese qualitativen Darstellungen werden nach DIN 32642 nicht Reaktionsgleichungen, sondern Reaktionsschemata genannt. Diese Norm legt außerdem noch die Begriffe Umsatzvariable, Formelumsatz und molare Reaktionsenthalpie fest.

Aufbau einer Reaktionsgleichung

Auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung stehen die chemischen Formeln der 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 die Molekülformeln oder Formeleinheiten der 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: Betrag der stöchiometrischen Zahl) 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 Elementsymbole, wie auf der rechten Seite vorhanden sein. Die Zahl „Eins“ als Reaktionsstöchiometriezahl wird nicht geschrieben.

Beispielsweise wird die Verbrennung von Methan (CH₄) mit Sauerstoff (O₂) zu Kohlenstoffdioxid (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 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.

Reaktionsschema

Ein Reaktionsschema berücksichtigt 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 säurekatalysierte Wasserabspaltung aus 2-Pentanol sein:

Reaktionsschema: Aus 2-Pentanol bilden sich durch Wasserabspaltung 1-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 folgende Wortgleichung:

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

Symbole

Pfeile

In Reaktionsgleichungen werden verschiedene Pfeile mit 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 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 symbolisiert die Verschiebung eines einzelnen Elektrons.

Anmerkungen: Der Mesomeriepfeil ($\leftrightarrow$) 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 eingesetzten Katalysator. 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.

Für thermodynamische Berechnungen wird häufig die molare 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 dem Formelumsatz von zwei Mol gasförmigen H₂ und einem Mol gasförmigen O₂ zu zwei Mol flüssigem H₂O werden also 572 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 Reaktionsenthalpie wird üblicherweise bei 25 °C angegeben. Ein positiver Wert von ΔH_R bezeichnet endotherme Reaktionen, ein negativer Wert exotherme Reaktionen.

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 dieser Fällungsreaktion keinen 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 die Stöchiometrische 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 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:

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

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