Chemische Reaktionen finden statt, wenn die Atome von zwei oder mehr Stoffen Elektronen austauschen oder teilen. Bei der Reaktion entstehen Atome und Moleküle mit unterschiedlich angeordneten Elektronen. Durch die veränderte Anordnung der Atome geht eine Energieänderung einher, dh die chemische Reaktion gibt Licht, Wärme oder Strom ab oder nimmt sie auf. Um die Atome wiederum in ihren Ursprungszustand zu trennen, muss Energie entzogen oder bereitgestellt werden.
Chemische Reaktionen steuern viele Prozesse des täglichen Lebens und können äußerst kompliziert sein, sowohl mit Atomen als auch mit Moleküle, die in eine Reaktion eintreten und völlig unterschiedliche Kombinationen von Atomen und Molekülen als Produkte der Reaktion. Durch die unterschiedlichen Reaktionsarten und die Art und Weise, wie Elektronen ausgetauscht oder geteilt werden, können so unterschiedliche Produkte wie Kunststoffe, Medikamente und Waschmittel entstehen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Bei einer chemischen Reaktion gewinnen, verlieren oder teilen die Atome der Ausgangsstoffe ihre Elektronen mit denen der Stoffe, mit denen sie reagieren. Die Reaktion erzeugt neue Substanzen, die aus einer neuen Kombination von Atomen und einer anderen Konfiguration von Elektronen bestehen.
Atome in einer chemischen Reaktion
Atome bestehen aus einem Kern und umgebenden Elektronen. Die Elektronen ordnen sich in Schalen um den Kern herum an, und jede Schale bietet Platz für eine feste Anzahl von Elektronen. Die innerste Schale eines Atoms bietet beispielsweise Platz für zwei Elektronen. Die nächste Schale bietet Platz für acht. Die dritte Schale hat drei Unterschalen, die Platz für zwei, sechs und zehn Elektronen bieten. An chemischen Reaktionen nehmen nur die Elektronen in der äußersten Schale oder Valenzschale teil.
Ein Atom beginnt immer mit einer festen Anzahl von Elektronen, die durch die Ordnungszahl gegeben ist. Die Elektronen der Ordnungszahl füllen die Elektronenschalen von innen nach außen, die restlichen Elektronen bleiben in der äußeren Schale. Die Elektronen in der äußeren Valenzschale bestimmen, wie sich ein Atom verhält, ob es nimmt, gibt oder Elektronen teilen, um an chemischen Reaktionen teilzunehmen und zwei Arten von chemischen Bindungen zu bilden: ionische und kovalent.
Ionische Bindungen
Atome sind am stabilsten, wenn ihre Valenzelektronenschalen voll sind. Je nach Ordnungszahl des Atoms kann das bedeuten, zwei, acht oder mehr Elektronen in der äußeren Schale zu haben. Eine Möglichkeit, Schalen zu vervollständigen, besteht darin, dass Atome, die ein oder zwei Elektronen in ihrer Valenzschale haben, diese an Atome abgeben, denen ein oder zwei in ihrer äußersten Schale fehlen. Solche chemischen Reaktionen beinhalten den Austausch von Elektronen zwischen zwei oder mehr Atomen, wobei die resultierende Substanz aus zwei oder mehr Ionen besteht.
Natrium hat zum Beispiel eine Ordnungszahl von 11, was bedeutet, dass die innerste Schale zwei Elektronen hat; die nächste Schale hat acht und die äußerste Valenzschale hat eine. Natrium könnte eine komplette äußerste Schale haben, wenn es sein zusätzliches Elektron spendet. Chlor hingegen hat die Ordnungszahl 17. Dies bedeutet, dass es zwei Elektronen in seiner inneren Schale hat, acht in der nächsten Schale, zwei in der nächsten Unterschale und fünf in der äußersten Unterschale, wo Platz für sechs ist. Chlor kann seine äußerste Schale vervollständigen, indem es ein zusätzliches Elektron aufnimmt.
Tatsächlich reagieren Natrium und Chlor mit einer hellgelben Flamme zu einer neuen Verbindung, Natriumchlorid oder Kochsalz. Bei dieser chemischen Reaktion gibt jedes Natriumatom sein einzelnes äußeres Elektron an ein Chloratom ab. Das Natriumatom wird ein positiv geladenes Ion und das Chloratom wird negativ geladen. Die beiden unterschiedlich geladenen Ionen ziehen sich an und bilden das stabile Natriumchlorid-Molekül mit einer Ionenbindung.
Kovalente Bindungen
Viele Atome haben mehr als ein oder zwei Elektronen in ihrer Valenzschale, aber die Abgabe von drei oder vier Elektronen könnte das verbleibende Atom instabil machen. Stattdessen gehen solche Atome eine gemeinsame Anordnung mit anderen Atomen ein, um eine kovalente Bindung zu bilden.
Kohlenstoff hat zum Beispiel die Ordnungszahl sechs, das heißt, er hat zwei Elektronen in seiner inneren Schale und vier in der zweiten Schale mit Platz für acht. Theoretisch könnte ein Kohlenstoffatom seine vier äußersten Elektronen abgeben oder vier Elektronen aufnehmen, um seine äußerste Hülle zu vervollständigen und eine Ionenbindung zu bilden. In der Praxis bildet ein Kohlenstoffatom eine kovalente Bindung mit anderen Atomen, die Elektronen teilen können, wie beispielsweise dem Wasserstoffatom.
In Methan teilt ein einzelnes Kohlenstoffatom seine vier Elektronen mit vier Wasserstoffatomen, jedes mit einem einzigen gemeinsamen Elektron. Sharing bedeutet, dass acht Elektronen so auf die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome verteilt werden, dass verschiedene Schalen zu unterschiedlichen Zeiten gefüllt sind. Methan ist ein Beispiel für eine stabile kovalente Bindung.
Abhängig von den beteiligten Atomen können chemische Reaktionen zu vielen Kombinationen von Bindungen führen, da Elektronen übertragen und in verschiedenen stabilen Anordnungen geteilt werden. Zwei der wichtigsten Merkmale einer chemischen Reaktion sind die veränderte Elektronenkonfiguration und die Stabilität der Reaktionsprodukte.
