Chemische Reaktionen und Stoffeigenschaften

Ein Reinstoff besteht aus nur einer Sorte Teilchen (z. B. reines Wasser, Kupfer). Ein Gemisch enthält mehrere Reinstoffe, die man mit physikalischen Verfahren wieder trennen kann. Bei Gemischen unterscheidet man, ob man die einzelnen Bestandteile noch sehen kann.

Gemischart	Bestandteile	Beispiel
Lösung	fest oder gasförmig in Flüssigkeit, gelöst	Salzwasser, Zuckerwasser
Legierung	mehrere Metalle, fest	Messing (Kupfer + Zink)
Suspension	feste Teilchen in Flüssigkeit	Sand in Wasser, Schlamm
Emulsion	Flüssigkeit fein in Flüssigkeit	Milch, Öl in Wasser

Zum Trennen von Gemischen nutzt man aus, dass die Bestandteile unterschiedliche Stoffeigenschaften haben (z. B. verschiedene Teilchengröße oder Siedetemperatur).

Trennverfahren	Nutzt aus	Trennt
Filtrieren	Teilchengröße	Suspension (fest von flüssig)
Eindampfen	Siedetemperatur	gelösten Feststoff aus Lösung
Destillieren	verschiedene Siedetemperaturen	zwei Flüssigkeiten / Wasser aus Lösung
Chromatografie	verschiedene Löslichkeit/Wanderung	Farbstoffe im Filzstift

So sehen die vier Versuche im Labor aus:

Jeder Stoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein — das sind die drei Aggregatzustände. Im Teilchenmodell erklärt man den Unterschied durch den Abstand, die Anordnung und die Bewegung der Teilchen. Je wärmer der Stoff, desto schneller bewegen sich die Teilchen.

Zustand	Teilchenabstand	Anordnung	Bewegung	Form/Volumen
fest	sehr klein	geordnet, festes Gitter	schwingen am Platz	feste Form, festes Volumen
flüssig	klein	ungeordnet, dicht	gleiten aneinander vorbei	keine feste Form, festes Volumen
gasförmig	sehr groß	völlig ungeordnet	fliegen frei umher	füllt jeden Raum aus

Die Übergänge zwischen den Zuständen haben eigene Namen:

• Beim Schmelzen und Sieden wird Energie aufgenommen. Während des Übergangs bleibt die Temperatur eines Reinstoffs (bei gleichbleibendem Druck) konstant — die Energie verändert die Anordnung und den Zusammenhalt der Teilchen, nicht ihre Geschwindigkeit.
• Beim Erstarren und Kondensieren wird Energie abgegeben; die Teilchen ordnen sich wieder fester zusammen.
• Außerhalb der Übergänge gilt: Erwärmen lässt die Teilchen schneller schwingen oder fliegen, Abkühlen langsamer.

Bei einem physikalischen Vorgang bleibt der Stoff derselbe, nur sein Zustand oder seine Form ändert sich (z. B. Wasser gefriert). Bei einer chemischen Reaktion entstehen dagegen neue Stoffe mit neuen Eigenschaften — der Ausgangsstoff verschwindet und etwas anderes entsteht.

Merkmal	physikalischer Vorgang	chemische Reaktion
Neue Stoffe?	nein	ja
Umkehrbar?	meist leicht	meist nur schwer/gar nicht
Eigenschaften	der Stoff bleibt erhalten; Zustand, Form oder Verteilung können sich ändern	neue Stoffe mit neuen Eigenschaften
Energie	oft wenig beteiligt	oft Wärme/Licht
Beispiel	Eis schmilzt, Zucker löst sich	Holz verbrennt, Eisen rostet

Woran erkennst du eine chemische Reaktion? Typische Anzeichen sind:

• Es entsteht ein Stoff mit anderer Farbe.
• Es bildet sich ein Gas (Blasen) oder ein Niederschlag.
• Es wird Wärme oder Licht frei (oder Wärme aufgenommen).
• Die neuen Stoffe haben andere Eigenschaften als die Ausgangsstoffe.

Eine Wortgleichung beschreibt eine chemische Reaktion mit Worten. Links stehen die Edukte (Ausgangsstoffe), rechts die Produkte (neue Stoffe). Der Reaktionspfeil → bedeutet „reagiert zu“. Er zeigt immer von den Edukten zu den Produkten.

$$\text{Eisen}+\text{Schwefel}\to \text{Eisensulfid}$$

Man unterscheidet zwei Grundtypen von Reaktionen:

Reaktionstyp	Was passiert	Schema	Beispiel
Synthese	aus mehreren Stoffen wird einer	A + B → AB	Eisen + Schwefel → Eisensulfid
Analyse	ein Stoff zerfällt in mehrere	AB → A + B	Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff

So stellst du eine Wortgleichung auf:

1. Schreibe alle Ausgangsstoffe (Edukte) links auf, verbunden mit „+“.
2. Setze den Reaktionspfeil „→“.
3. Schreibe alle neuen Stoffe (Produkte) rechts auf.
4. Prüfe: Sind alle beteiligten Stoffe genannt?

Bei jeder chemischen Reaktion wird Energie umgesetzt. Bei einer exothermen Reaktion wird Energie (meist als Wärme) an die Umgebung abgegeben, bei einer endothermen Reaktion wird Energie aufgenommen. Damit eine Reaktion überhaupt startet, braucht sie oft einen „Anschub“: die Aktivierungsenergie.

Merkmal	exotherm	endotherm
Energie	wird abgegeben	wird aufgenommen
Umgebung	wird wärmer	wird kälter
Produkte	energieärmer als Edukte	energiereicher als Edukte
Beispiel	Verbrennung, Neutralisation	Fotosynthese, Backpulver in Zitronensaft

Das Energiediagramm zeigt den Energiegehalt während der Reaktion. Von den Edukten aus muss die Energie zuerst über einen „Berg“ steigen — das ist die Aktivierungsenergie. Erst danach rutscht sie zu den Produkten.

• Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die man am Anfang zuführen muss (z. B. ein Streichholz beim Lagerfeuer), damit die Reaktion in Gang kommt.
• Bei einer exothermen Reaktion liegen die Produkte tiefer (energieärmer) als die Edukte — die Differenz wird frei.
• Bei einer endothermen Reaktion liegen die Produkte höher (energiereicher) als die Edukte — die Differenz musste zugeführt werden.

Das Gesetz von der Erhaltung der Masse (von Lavoisier) sagt: Bei einer chemischen Reaktion geht keine Masse verloren und es kommt keine hinzu. Die Masse der Edukte ist genau gleich der Masse der Produkte.

$$m_{\text{Edukte}}=m_{\text{Produkte}}$$

Der Grund im Teilchenmodell: Bei einer Reaktion werden die Atome nur neu angeordnet. Es gehen keine Atome verloren und es entstehen keine neuen — deshalb bleibt die Gesamtmasse gleich.

Eine Verbrennung ist eine Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff, bei der Energie frei wird (Licht und Wärme). Allgemein heißt jede Reaktion mit Sauerstoff Oxidation. Damit eine Verbrennung abläuft, müssen drei Dinge zusammenkommen: Brennstoff, Sauerstoff und Zündtemperatur (das „Verbrennungsdreieck“).

$$\text{Brennstoff}+\text{Sauerstoff}\to \text{Oxid}(+\text{Energie})$$

Um die entstandenen oder beteiligten Gase nachzuweisen, gibt es drei wichtige Proben:

Nachweis	Weist nach	Durchführung	Positives Ergebnis
Glimmspanprobe	Sauerstoff (O₂)	glimmenden Holzspan hineinhalten	Span flammt hell auf
Knallgasprobe	Wasserstoff (H₂)	Gasprobe an Flamme halten	Gas verbrennt mit „Pfiff“/Knall
Kalkwasserprobe	Kohlenstoffdioxid (CO₂)	Gas in klares Kalkwasser leiten	Kalkwasser trübt sich milchig

Ablauf einer Nachweisreaktion (Beispiel Kalkwasserprobe):

1. Gas aus dem Versuch auffangen oder einleiten.
2. Das Gas durch klares Kalkwasser leiten.
3. Beobachten: Wird es milchig-trüb, war Kohlenstoffdioxid enthalten.
4. Schlussfolgern: Bei einer Verbrennung von Kohlenstoff entsteht CO₂.

Begriff	Definition
Aggregatzustand	Zustandsform eines Stoffes: fest, flüssig oder gasförmig.
Aktivierungsenergie	Energie, die zum Starten einer Reaktion nötig ist.
Analyse	Reaktion, bei der ein Stoff in mehrere zerfällt (AB → A + B).
Chemische Reaktion	Vorgang, bei dem neue Stoffe mit neuen Eigenschaften entstehen.
Dichte	Masse eines Stoffes pro Volumen: $\rho =m/V$.
Edukt	Ausgangsstoff einer Reaktion (steht links vom Pfeil).
Emulsion	Gemisch aus feinen Flüssigkeitströpfchen in einer Flüssigkeit (z. B. Milch).
Endotherm	Reaktion, die Energie aus der Umgebung aufnimmt.
Exotherm	Reaktion, die Energie an die Umgebung abgibt.
Gemisch	Stoff aus mehreren Reinstoffen, physikalisch trennbar.
Legierung	Homogenes Gemisch aus mehreren Metallen (z. B. Messing).
Lösung	Homogenes Gemisch, in dem ein Stoff in einer Flüssigkeit gelöst ist.
Massenerhaltung	Gesetz: Masse der Edukte = Masse der Produkte.
Oxidation	Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff.
Physikalischer Vorgang	Änderung ohne neue Stoffe (z. B. Schmelzen).
Produkt	Neuer Stoff einer Reaktion (steht rechts vom Pfeil).
Reinstoff	Stoff aus nur einer Teilchensorte mit festen Eigenschaften.
Suspension	Heterogenes Gemisch aus festen Teilchen in einer Flüssigkeit.
Synthese	Reaktion, bei der aus mehreren Stoffen einer entsteht (A + B → AB).
Teilchenmodell	Vorstellung, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen.
Verbrennung	Reaktion mit Sauerstoff unter Freisetzung von Energie.
Wortgleichung	Beschreibung einer Reaktion mit Worten: Edukte → Produkte.

Was versteht man unter der Dichte eines Stoffes und wie berechnet man sie?

Die Dichte gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen eines Stoffes steckt. Man berechnet sie mit der Formel $\rho =m/V$, also Masse geteilt durch Volumen, und gibt sie meist in g/cm³ an. Die Dichte ist eine typische Stoffeigenschaft und bei einem Reinstoff immer gleich, egal wie groß das Stück ist. So kann man zum Beispiel Eisen ($7,87$ g/cm³) sicher von Aluminium ($2,7$ g/cm³) unterscheiden.

Worin unterscheiden sich ein Reinstoff und ein Gemisch?

Ein Reinstoff besteht aus nur einer Sorte Teilchen und hat feste, unveränderliche Stoffeigenschaften. Ein Gemisch besteht dagegen aus mehreren Reinstoffen, die mit physikalischen Trennverfahren wieder getrennt werden können. Ein homogenes Gemisch wie eine Lösung sieht einheitlich aus, bei einem heterogenen Gemisch wie einer Suspension erkennt man die Bestandteile noch. Beispiel: Salzwasser ist eine Lösung, Sand in Wasser ist eine Suspension.

Wie trennst du Salz aus Salzwasser und wie gewinnst du reines Wasser?

Um das Salz zu gewinnen, dampft man das Salzwasser ein: Das Wasser verdampft und das feste Salz bleibt im Gefäß zurück. Um reines Wasser zu gewinnen, destilliert man: Das Wasser verdampft, wird an einem kalten Kühler wieder verflüssigt (kondensiert) und aufgefangen, während das Salz zurückbleibt. Beide Verfahren nutzen aus, dass Wasser und Salz sehr unterschiedliche Siedetemperaturen haben. Filtrieren funktioniert hier nicht, weil die gelösten Salzteilchen viel zu klein sind.

Wie erklärt das Teilchenmodell den Unterschied zwischen fest, flüssig und gasförmig?

Im festen Zustand liegen die Teilchen dicht und geordnet in einem Gitter und schwingen nur am Platz, deshalb hat der Stoff eine feste Form. Im flüssigen Zustand sind die Teilchen noch dicht beieinander, können aber aneinander vorbeigleiten, deshalb passt sich eine Flüssigkeit ihrem Gefäß an. Im gasförmigen Zustand haben die Teilchen große Abstände und bewegen sich frei, deshalb füllt ein Gas jeden Raum aus. Beim Erwärmen bewegen sich die Teilchen schneller und der Abstand wächst.

Woran erkennst du, dass eine chemische Reaktion abgelaufen ist?

Eine chemische Reaktion erkennt man daran, dass neue Stoffe mit neuen Eigenschaften entstanden sind. Typische Anzeichen sind eine Farbänderung, die Bildung eines Gases oder Niederschlags sowie das Freiwerden oder Aufnehmen von Energie (Wärme, Licht). Entscheidend ist immer das Kennzeichen „neue Stoffe mit neuen Eigenschaften“. Beispiel: Aus dem magnetischen Gemisch von Eisen und Schwefel entsteht beim Erhitzen das nicht mehr magnetische Eisensulfid.

Was sind Edukte und Produkte in einer Wortgleichung?

Edukte sind die Ausgangsstoffe einer Reaktion und stehen links vom Reaktionspfeil. Produkte sind die neuen Stoffe, die entstehen, und stehen rechts vom Pfeil. Der Pfeil bedeutet „reagiert zu“ und zeigt die Richtung der Reaktion. Beispiel: Bei „Eisen + Schwefel → Eisensulfid“ sind Eisen und Schwefel die Edukte und Eisensulfid ist das Produkt.

Was ist der Unterschied zwischen einer Synthese und einer Analyse?

Bei einer Synthese verbinden sich mehrere Stoffe zu einem einzigen neuen Stoff, nach dem Schema A + B → AB. Bei einer Analyse zerfällt ein Stoff in mehrere Bestandteile, nach dem Schema AB → A + B. Die Synthese ist also ein Aufbauen, die Analyse ein Zerlegen. Beispiel Synthese: Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser; Beispiel Analyse: Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff.

Was bedeuten exotherm und endotherm?

Exotherm bedeutet, dass bei der Reaktion Energie an die Umgebung abgegeben wird, meist als Wärme, sodass die Produkte energieärmer sind als die Edukte. Endotherm bedeutet, dass Energie aus der Umgebung aufgenommen wird und die Produkte energiereicher sind als die Edukte. Bei exothermen Reaktionen wird die Umgebung wärmer, bei endothermen kälter. Ein Beispiel für exotherm ist jede Verbrennung, für endotherm die Fotosynthese.

Was ist die Aktivierungsenergie?

Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die man einer Reaktion zu Beginn zuführen muss, damit sie überhaupt startet. Sie ist im Energiediagramm der „Energieberg“, den die Edukte überwinden müssen. Auch exotherme Reaktionen brauchen meist eine Aktivierungsenergie, zum Beispiel ein Streichholz, das ein Lagerfeuer entzündet. Ein Katalysator kann die Aktivierungsenergie senken, sodass die Reaktion leichter abläuft.

Wie lautet das Gesetz von der Erhaltung der Masse und wie erklärt man es?

Das Gesetz von der Erhaltung der Masse besagt, dass bei einer chemischen Reaktion die Masse der Edukte genau gleich der Masse der Produkte ist. Erklären lässt sich das im Teilchenmodell: Bei einer Reaktion werden die Atome nur neu angeordnet, es entstehen keine neuen und es gehen keine verloren. Deshalb bleibt die Gesamtmasse gleich, wenn man im geschlossenen System arbeitet. Scheinbare Massenänderungen entstehen nur, wenn Gase entweichen oder aus der Luft aufgenommen werden.

Wie weist du Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid nach?

Sauerstoff weist man mit der Glimmspanprobe nach: Ein glimmender Holzspan flammt in reinem Sauerstoff hell auf. Wasserstoff weist man mit der Knallgasprobe nach: Eine Probe des Gases verbrennt an der Flamme mit einem pfeifenden Knall. Kohlenstoffdioxid weist man mit der Kalkwasserprobe nach: Leitet man das Gas in klares Kalkwasser, trübt sich dieses milchig-weiß. So kann man die bei Verbrennungen beteiligten Gase eindeutig bestimmen.

Was ist eine Verbrennung im chemischen Sinn?

Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff, bei der Energie in Form von Wärme und Licht frei wird. Solche Reaktionen mit Sauerstoff nennt man allgemein Oxidation. Damit eine Verbrennung abläuft, müssen Brennstoff, Sauerstoff und die Zündtemperatur zusammenkommen. Beispiel: Kohlenstoff + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid.