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.

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 (${\displaystyle \rightleftharpoons }$), 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. ${\displaystyle \longrightarrow }$), 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

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

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:

Ein anderes Beispiel für ein Reaktionsschema ist folgende Wortgleichung:

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

Symbole

Verkürzte Form

An Stelle der Vollschreibweise mit kompletten Summenformeln kann man unbeteiligte Reaktionspartner weglassen, z. B.:

${\displaystyle \mathrm {SO_{4}^{2-}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ Cl^{-}} }$

statt: ${\displaystyle \mathrm {\ Li_{2}SO_{4}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ LiCl} }$

oder: ${\displaystyle \mathrm {\ Na_{2}SO_{4}+BaCl_{2}\longrightarrow BaSO_{4}\downarrow +2\ NaCl} }$

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:

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

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

• 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)

Einzelnachweise

1. ↑ Stöchiometrisches Rechnen