Was ist eine chemische Reaktion?

Aus einem Methanmolekül und zwei Sauerstoffmolekülen entstehen ein Kohlenstoffdioxidmolekül und zwei Wassermoleküle. Dabei geht kein einziges Atom verloren.

Du zündest einen Gasherd an und eine blaue Flamme erscheint. Scheinbar kommen nur Gas und Luft hinein und nur Wärme heraus. Doch etwas hat sich vollständig verändert. Das Methan im Gas und der Sauerstoff aus der Luft sind verschwunden. Stattdessen sind Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf entstanden. Das ist eine chemische Reaktion: Stoffe werden zu anderen Stoffen, weil ihre Atome alte Bindungspartner verlassen und sich mit neuen verbinden.

Chemische und physikalische Veränderungen

Wenn ein Eiswürfel schmilzt, bleibt er Wasser. Löst du Zucker im Tee auf, bleiben die Zuckermoleküle Zucker; sie verteilen sich lediglich. Das sind physikalische Veränderungen: Der Stoff sieht anders aus, seine Moleküle bleiben jedoch gleich. Bei einer chemischen Veränderung entstehen dagegen immer andere Stoffe als zuvor. Rost ist ein anderer Stoff als das Eisen, der Sauerstoff und das Wasser, aus denen er entstanden ist. Brennen, Kochen, Verdauen und das Verrotten von Lebensmitteln sind chemische Veränderungen, weil dabei jeweils neue Stoffe entstehen.

Wie sich Atome neu anordnen, lässt sich meist nicht direkt sehen. Deshalb suchen Chemiker nach Anzeichen. Ein Gas entsteht, wo vorher keines war, etwa die Bläschen bei Natron und Essig. Eine Farbe ändert sich: Ein Kupferdraht in Silbernitratlösung färbt die Flüssigkeit blau, während graue Silberkristalle auf ihm wachsen. Beim Mischen zweier klarer Lösungen entsteht ein Feststoff: Bleinitrat und Kaliumiodid ergeben einen leuchtend gelben Niederschlag. Wärme oder Licht werden abgegeben, etwa bei einer Flamme, oder aufgenommen. Keines dieser Anzeichen beweist allein eine Reaktion, denn auch kochendes Wasser bildet Blasen. Zusammen geben sie aber gute Hinweise.

Eine Reaktionsgleichung lesen

Chemiker schreiben Reaktionen als Gleichungen auf. Die Ausgangsstoffe, die Edukte, stehen links. Die entstehenden Stoffe, die Produkte, stehen rechts. Ein Pfeil zeigt von einer Seite zur anderen; Pluszeichen trennen die Stoffe auf jeder Seite. Für die Verbrennung von Methan lautet die Gleichung CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Die kleinen Zahlen in einer Formel heißen Indizes und bestimmen, um welchen Stoff es sich handelt: H₂O enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Die großen Zahlen davor heißen Koeffizienten und geben an, wie viele Einheiten des jeweiligen Stoffes beteiligt sind. Den Koeffizienten 1 lässt man weg.

Koeffizienten geben Verhältnisse an, keine festen Anzahlen. CH₄ + 2O₂ bedeutet ein Methanmolekül je zwei Sauerstoffmoleküle. Deshalb benötigen 3 Methanmoleküle 6 Sauerstoffmoleküle und ein Mol Methan zwei Mol Sauerstoff. Häufig zeigen Buchstaben in Klammern den Zustand der Stoffe: (s) für fest, (l) für flüssig, (g) für gasförmig und (aq) für in Wasser gelöst. Damit lautet die Methangleichung CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l), wenn das Wasser zu einer Flüssigkeit abgekühlt wird.

Vergleiche im Labor oben einige Reaktionen. Bei jeder bleiben sämtliche ursprünglichen Atome erhalten. Aus Eisen und Sauerstoff entsteht Eisen(III)-oxid, der Hauptbestandteil von Rost. Calciumcarbonat, das Mineral im Kalkstein, zerfällt bei starkem Erhitzen in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid. In jedem Fall stimmen die Balken für die Atome der Edukte und Produkte überein. Um diese Regel geht es in der nächsten Einheit.