CHE101_HS25_week14 Reaktionstypen.pdf

# Klassifizierung von Reaktionstypen Dieser Abschnitt fasst verschiedene chemische Reaktionstypen zusammen, die auf der Bruttogleichung, dem effektiven Stoffumsatz oder der Struktur der Edukte und Produkte basieren [1](#page=1). ### 1.1 Überblick über die Klassifizierung von Reaktionstypen Chemische Reaktionen können nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden, darunter die allgemeine Reaktionsgleichung, der tatsächliche Stoffumsatz oder die strukturelle Beschaffenheit der beteiligten Ausgangsstoffe (Edukte) und Endprodukte. Die folgende Auflistung stellt die wichtigsten Reaktionstypen dar und wiederholt diese anhand einfacher Beispiele [1](#page=1). ### 1.2 Spezifische Reaktionstypen #### 1.2.1 Addition Bei einer Additionsreaktion werden zwei oder mehr Moleküle zu einem einzigen, größeren Molekül kombiniert [1](#page=1). **Beispiel:** $H_2O + SO_3 \rightarrow H_2SO_4$ [1](#page=1). #### 1.2.2 Substitution Bei einer Substitutionsreaktion wird ein Atom oder eine Atomgruppe in einem Molekül durch ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe ersetzt [1](#page=1). **Beispiel:** $CH_3Cl + OH^- \rightarrow CH_3OH + Cl^-$ [1](#page=1). #### 1.2.3 Elimination Eine Eliminierungsreaktion ist das Gegenteil einer Additionsreaktion, bei der aus einem Molekül kleinere Moleküle abgespalten werden, was oft zu einer Erhöhung der Bindungsordnung führt [1](#page=1). **Beispiel:** $H_2CO_3 \rightarrow CO_2 + H_2O$ [1](#page=1). #### 1.2.4 Dissoziations- oder Zerfallsreaktionen Diese Reaktionen beinhalten die Spaltung einer kovalenten Bindung. Man unterscheidet zwischen homolytischer und heterolytischer Spaltung [1](#page=1). ##### 1.2.4.1 Homolytische Spaltung Die homolytische Spaltung führt zur Bildung von Radikalen, wobei jedes Fragment der gespaltenen Bindung ein Elektron behält [1](#page=1). **Beispiel 1:** $HCl \rightarrow Cl^\bullet + H^\bullet$ (unter Lichteinfluss) [1](#page=1). **Beispiel 2 (Chlorknallgasreaktion):** Diese Reaktion ist eine Radikalkettenreaktion, die mit der Photolyse von $Cl_2$ beginnt [1](#page=1). $Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2 Cl^\bullet$ [1](#page=1). $H_2 + Cl^\bullet \rightarrow HCl + H^\bullet$ [1](#page=1). $H^\bullet + Cl_2 \rightarrow HCl + Cl^\bullet$ [1](#page=1). ##### 1.2.4.2 Heterolytische Spaltung Bei der heterolytischen Spaltung werden beide Elektronen der kovalenten Bindung einem der Fragmente zugeordnet, wodurch Ionen entstehen [1](#page=1). **Beispiel:** $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$ [1](#page=1). #### 1.2.5 Isomerisierung (Umlagerung) Bei Isomerisierungsreaktionen ändert sich die Struktur eines Moleküls, ohne dass sich die Summenformel ändert; es handelt sich um eine Umlagerung von Atomen innerhalb des Moleküls [1](#page=1). **Beispiel:** $NH_4(OCN) \rightarrow H_2N-CO-NH_2$ (Harnstoff) [1](#page=1). #### 1.2.6 Kondensation Kondensationsreaktionen sind Additionsreaktionen, bei denen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls, typischerweise Wasser, größere Moleküle gebildet werden [1](#page=1). **Beispiel:** $2 Si(OH)_4 \rightarrow Si_2O_7H_6 + H_2O$ (Bildung von Silicagel, $SiO_2$) [1](#page=1). #### 1.2.7 Dimerisierung Die Dimerisierung ist eine spezielle Form der Addition, bei der sich zwei identische Moleküle zu einem Molekül mit doppelter Molmasse verbinden [1](#page=1). **Beispiel:** $2 NO_2 \rightarrow N_2O_4$ [1](#page=1). #### 1.2.8 Polymerisierung Bei der Polymerisation verbinden sich viele kleine Moleküle (Monomere) zu langen Ketten oder Netzwerken (Polymere) [1](#page=1). **Beispiel:** $n S_8 \rightarrow (S_8)_n$ [1](#page=1). #### 1.2.9 Protonierung Protonierungen sind Reaktionen, bei denen ein Proton ($H^+$) auf ein Molekül oder Ion übertragen wird. Das Proton fungiert hier als Lewis-Säure. Die Rückreaktion ist die Deprotonierung [1](#page=1) [2](#page=2). **Beispiel:** $H^+ + NH_3 \rightarrow NH_4^+$ [2](#page=2). #### 1.2.10 Hydrolyse Hydrolyse bezeichnet die heterolytische Spaltung einer Bindung unter Anlagerung der Dissoziationsprodukte von Wasser ($H^+$ und $OH^-$). Sie kann als eine Form der Substitutionsreaktion betrachtet werden, bei der beispielsweise ein Chloridion durch eine Hydroxidgruppe ersetzt wird [2](#page=2). **Beispiel:** $BCl_3 + 3 H_2O \rightarrow B(OH)_3 + 3 H^+ + 3 Cl^-$ [2](#page=2). #### 1.2.11 Oxidation und Reduktion Diese Reaktionstypen, die den Elektronentransfer beinhalten, werden in Kapitel 11 detailliert behandelt [2](#page=2). #### 1.2.12 Disproportionierung Disproportionierungsreaktionen werden in Abschnitt 11.5 behandelt [2](#page=2). #### 1.2.13 Koordination (Komplexbildung) Koordination beschreibt die Bildung von Komplexen, bei denen ein Zentralatom oder -ion von Liganden umgeben ist. In wässriger Lösung werden diese als Ligandenaustauschreaktionen betrachtet und sind per Definition nukleophile Substitutionen [2](#page=2). **Beispiel:** $[Al(H_2O)_4]^{3+} + 4 Cl^- \rightarrow [AlCl_4]^- + 4 H_2O$ [2](#page=2). #### 1.2.14 Photoreaktionen Photoreaktionen sind chemische Reaktionen, die durch Licht beeinflusst werden [2](#page=2). ##### 1.2.14.1 Lichtabsorption Die Absorption von Strahlungsenergie ($ \Delta E = h \cdot \nu $) kann zu spezifischen chemischen Reaktionen führen oder normale Reaktionen beschleunigen (Photokatalyse). Dabei kann ein Molekül in einen angeregten Zustand ($A^*$) übergehen, der reaktiver ist [2](#page=2) [3](#page=3). **Allgemeine Darstellung:** $A + h \cdot \nu \rightarrow A^*$ [2](#page=2). $A^* + B \rightarrow Produkt$ [3](#page=3). ##### 1.2.14.2 Chemolumineszenz Chemolumineszenz tritt auf, wenn eine chemische Reaktion ein Produkt im angeregten Zustand erzeugt, das anschließend unter Emission von Strahlung in den Grundzustand übergeht [3](#page=3). **Allgemeine Reaktionsgleichung:** $A + B \rightarrow Produkt^*$ [3](#page=3). $Produkt^* \rightarrow Produkt + h \cdot \nu$ [3](#page=3). **Beispiel (Lichterzeugung bei Leuchtkäfern):** Luminophor $\rightarrow$ Luminophor-Dioxetan [3](#page=3). ##### 1.2.14.3 Fluoreszenz und Phosphoreszenz Strahlungsabsorption kann auch ohne nachfolgende chemische Reaktion zu Fluoreszenz (sofortige Emission kurzwelligen Lichts) und Phosphoreszenz (verzögerte Emission, "Nachleuchten") führen [4](#page=4). **Darstellung:** $A + h \cdot \nu \rightarrow A^*$ [4](#page=4). $A^* \rightarrow A + h \cdot \nu'$ mit $\nu > \nu'$ und $\lambda < \lambda'$ [4](#page=4). --- # Heterolytische und homolytische Spaltung Die Dissoziation oder der Zerfall von Molekülen ist ein Reaktionstyp, bei dem kovalente Bindungen gebrochen werden, was zur Bildung neuer Spezies führt. Diese Spaltung kann auf zwei grundlegend unterschiedliche Weisen erfolgen: homolytisch oder heterolytisch. Beide Mechanismen führen zu unterschiedlichen Arten von Produkten und haben unterschiedliche Konsequenzen für den Reaktionsverlauf [1](#page=1). ### 4.1 Homolytische Spaltung Bei der homolytischen Spaltung wird eine kovalente Bindung so gebrochen, dass jedes der beiden Atome oder Molekülteile ein Elektron aus der ursprünglichen Bindung behält. Dies führt zur Bildung von zwei reaktiven Spezies, die als Radikale bezeichnet werden. Radikale sind Atome oder Moleküle, die ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen und daher sehr reaktiv sind [1](#page=1). Die allgemeine Darstellung einer homolytischen Spaltung ist: $$ A-B \longrightarrow A\cdot + B\cdot $$ Dabei repräsentieren $A\cdot$ und $B\cdot$ die gebildeten Radikale [1](#page=1). **Beispiele für homolytische Spaltung:** 1. **Spaltung von Salzsäure (HCl) unter Lichteinfluss:** $$ HCl \longrightarrow H\cdot + Cl\cdot $$ Diese Reaktion wird durch Licht (Photolyse) initiiert, welches genügend Energie liefert, um die H-Cl-Bindung homolytisch zu spalten [1](#page=1). 2. **Die Chlorknallgasreaktion ($Cl_2 + H_2 \longrightarrow 2HCl$):** Diese Reaktion ist ein klassisches Beispiel für eine Radikalkettenreaktion, die mit der homolytischen Spaltung von Chlor beginnt [1](#page=1). * **Initiation (Start):** $$ Cl_2 \xrightarrow{Licht} 2 Cl\cdot $$ Chlor wird durch Licht homolytisch gespalten, was zu Chlorradikalen führt [1](#page=1). * **Propagation (Kettenfortpflanzung):** Die gebildeten Radikale greifen Edukte an und erzeugen neue Radikale, wodurch die Kette fortgesetzt wird. $$ H_2 + Cl\cdot \longrightarrow HCl + H\cdot $$ $$ H\cdot + Cl_2 \longrightarrow HCl + Cl\cdot $$ Diese beiden Schritte erzeugen Produkt (HCl) und setzen Radikale frei, die die Kette weiterführen [1](#page=1). * **Termination (Kettenabbruch):** Die Kette endet, wenn Radikale miteinander rekombinieren. > **Tip:** Radikalkettenreaktionen sind durch eine Initiations-, Propagations- und Terminierungsphase gekennzeichnet. Sie sind oft sehr schnell und exotherm. ### 4.2 Heterolytische Spaltung Im Gegensatz zur homolytischen Spaltung führt die heterolytische Spaltung einer kovalenten Bindung zur Bildung von Ionen. Dabei übernimmt ein Reaktionspartner beide Elektronen der ursprünglichen kovalenten Bindung, während der andere Partner elektronenfrei wird [1](#page=1). Die allgemeine Darstellung einer heterolytischen Spaltung ist: $$ A-B \longrightarrow A^{+} + B^{-} $$ Hierbei entstehen ein positiv geladenes Ion (Kation) und ein negativ geladenes Ion (Anion) [1](#page=1). **Beispiel für heterolytische Spaltung:** * **Spaltung von Salzsäure (HCl) in wässriger Lösung:** $$ HCl \longrightarrow H^{+} + Cl^{-} $$ In polaren Lösungsmitteln wie Wasser wird die H-Cl-Bindung typischerweise heterolytisch gespalten. Das Proton ($H^{+}$) wird vom Lösungsmittel (z. B. Wasser) solvatisiert, und das Chloridion ($Cl^{-}$) wird ebenfalls stabilisiert [1](#page=1). > **Tip:** Heterolytische Spaltungen sind häufiger in polaren Medien zu beobachten, da die entstehenden Ionen dort gut solvatisiert und stabilisiert werden können. Die elektronenziehende Fähigkeit der gebundenen Atome spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. --- # Photochemische Reaktionen und Lumineszenz Photochemische Reaktionen sind chemische Umwandlungen, die durch die Absorption von Lichtenergie ausgelöst oder beschleunigt werden, während Lumineszenz die Emission von Licht durch angeregte Moleküle beschreibt. ### 3.1 Photochemische reaktionen #### 3.1.1 Lichtabsorption und angeregte Zustände Photochemische Reaktionen beginnen mit der Absorption von Strahlungsenergie durch ein Molekül. Die aufgenommene Energie, $\Delta E$, ist direkt proportional zur Frequenz $\nu$ des Lichts und kann durch die Gleichung $\Delta E = h \cdot \nu$ beschrieben werden, wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum ist. Durch diese Absorption gelangt das Molekül in einen angeregten Zustand, bezeichnet als A* [2](#page=2). * Molekül im Grundzustand: A * Absorption von Lichtenergie: $h \cdot \nu$ * Molekül im angeregten Zustand: A* Der angeregte Zustand A* ist reaktiver als der Grundzustand und kann an spezifischen chemischen Reaktionen teilnehmen. Dies kann entweder die Beschleunigung bekannter Reaktionen (Photokatalyse) oder die Auslösung gänzlich neuer Reaktionen sein [2](#page=2) [3](#page=3). Die allgemeine Darstellung einer photochemisch initiierten Reaktion ist: A + $h \cdot \nu$ $\rightarrow$ A* [2](#page=2). A* + B $\rightarrow$ Produkt [3](#page=3). #### 3.1.2 Photokatalyse Photokatalyse beschreibt die Beschleunigung chemischer Reaktionen durch Lichtabsorption. Dabei wird die Energie des Lichts genutzt, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu senken oder die Bildung reaktiver Zwischenprodukte zu ermöglichen [2](#page=2). #### 3.1.3 Chemolumineszenz Chemolumineszenz ist ein Phänomen, bei dem eine chemische Reaktion Produkte erzeugt, die sich zunächst in einem angeregten Zustand befinden und dann durch die Emission von Licht in ihren Grundzustand übergehen [3](#page=3). Die allgemeine Reaktionsgleichung einer Chemolumineszenz-Reaktion lautet: A + B $\rightarrow$ Produkt* $\rightarrow$ Produkt + $h \cdot \nu$ [3](#page=3). Ein bekanntes Beispiel ist die Lichterzeugung bei Leuchtkäfern, die auf der Oxidation eines Luminophors basiert, der ein instabiles Dioxetan-Zwischenprodukt bildet [3](#page=3). > **Tip:** Chemolumineszenz ist die Grundlage für viele Nachweisreaktionen und bildgebende Verfahren in der Chemie und Biologie. ### 3.2 Lumineszenz-Phänomene Lumineszenz umfasst verschiedene Phänomene der Lichtemission, die oft ohne weitere chemische Umwandlungen nach der Strahlungsabsorption auftreten [4](#page=4). #### 3.2.1 Fluoreszenz Fluoreszenz ist die sofortige Emission von Licht durch ein Molekül, nachdem es Strahlung absorbiert hat. Das emittierte Licht hat typischerweise eine längere Wellenlänge (geringere Energie) als das absorbierte Licht. Der Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand erfolgt hierbei sehr schnell [4](#page=4). A + $h \cdot \nu$ $\rightarrow$ A* $\rightarrow$ A + $h \cdot \nu'$ [4](#page=4). Hierbei gilt $\nu > \nu'$ und $\lambda < \lambda'$, wobei $\lambda$ die Wellenlänge bezeichnet [4](#page=4). #### 3.2.2 Phosphoreszenz Phosphoreszenz ist die verzögerte Emission von Licht ("Nachleuchten") durch ein Molekül nach der Strahlungsabsorption. Dieser Prozess ist langsamer als Fluoreszenz, da der angeregte Zustand, von dem die Emission ausgeht, metastabil ist und länger existieren kann. Auch hier ist die Energie des emittierten Lichts geringer als die des absorbierten Lichts [4](#page=4). > **Tip:** Der Unterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz liegt primär in der Zeitdauer der Lichtemission und dem zugrundeliegenden Mechanismus der Zustandsübergänge (Singulett- vs. Triplett-Zustände, die hier nicht näher erläutert werden, aber für das Verständnis der Verzögerung entscheidend sind). --- ## Häufige fehler vermeiden - Überprüfen Sie alle Themen gründlich vor Prüfungen - Achten Sie auf Formeln und wichtige Definitionen - Üben Sie mit den in jedem Abschnitt bereitgestellten Beispielen - Memorieren Sie nicht ohne die zugrunde liegenden Konzepte zu verstehen

| Term | Definition | |------|------------| | Addition | Eine Reaktion, bei der sich zwei oder mehr Moleküle zu einem einzigen größeren Molekül verbinden, ohne dass Atome verloren gehen. Beispiel: H₂O + SO₃ → H₂SO₄. | | Substitution | Eine chemische Reaktion, bei der ein Atom oder eine Atomgruppe in einem Molekül durch ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe ersetzt wird. Beispiel: CH₃Cl + OH⁻ → CH₃OH + Cl⁻. | | Elimination | Eine Reaktion, bei der aus einem Molekül eine kleine Moleküleinheit (z.B. H₂O, CO₂) abgespalten wird, was oft zu einer Doppel- oder Dreifachbindung führt. Beispiel: H₂CO₃ → CO₂ + H₂O. | | Homolytische Spaltung | Die Spaltung einer kovalenten Bindung, bei der jedes Atom der Bindung ein Elektron behält und Radikale gebildet werden. Beispiel: A–B → A• + B•. | | Heterolytische Spaltung | Die Spaltung einer kovalenten Bindung, bei der ein Atom der Bindung beide Elektronen behält und ein positives und ein negatives Ion entstehen. Beispiel: A–B → A⁺ + B⁻. | | Radikalkettenreaktion | Eine Reaktion, die durch Radikale initiiert wird und bei der sich die Radikale in einer Kette von Reaktionsschritten fortpflanzen. | | Isomerisierung | Eine Umlagerungsreaktion, bei der sich die Atome innerhalb eines Moleküls neu anordnen, ohne die Summenformel zu verändern, was zu einem Isomer führt. Beispiel: NH₄OCN → H₂N–CO–NH₂. | | Kondensation | Eine Reaktion, bei der zwei Moleküle unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (oft Wasser) miteinander verbunden werden, um ein größeres Molekül zu bilden. | | Dimerisierung | Eine spezielle Form der Polymerisation, bei der sich zwei identische Monomere zu einem Dimer verbinden. Beispiel: 2 NO₂ → N₂O₄. | | Polymerisation | Eine Reaktion, bei der sich viele kleine Monomereinheiten zu einem langen Polymerrückgrat verbinden. Beispiel: n S₈ → (S₈)n. | | Protonierung | Die Anlagerung eines Protons (H⁺) an ein Molekül oder Ion, typischerweise an eine Lewis-Base, was zu einer Erhöhung der positiven Ladung führt. Beispiel: H⁺ + NH₃ → NH₄⁺. | | Hydrolyse | Eine chemische Reaktion, bei der Wasser mit einer Substanz reagiert und diese in ihre Bestandteile zerlegt, oft unter Anlagerung von H⁺ und OH⁻. Es ist eine Form der heterolytischen Spaltung. | | Oxidation | Ein Prozess, bei dem ein Stoff Elektronen abgibt (Zunahme der Oxidationszahl). | | Reduktion | Ein Prozess, bei dem ein Stoff Elektronen aufnimmt (Abnahme der Oxidationszahl). | | Disproportionierung | Eine Redoxreaktion, bei der ein Element in einer Verbindung sowohl oxidiert als auch reduziert wird. | | Koordination (Komplexbildung) | Die Bildung eines Komplexes, bei dem ein Zentralatom (oft ein Metallion) über koordinative kovalente Bindungen mit Liganden verbunden ist. | | Ligandenaustauschreaktion | Eine spezifische Art der Komplexbildungsreaktion, bei der ein oder mehrere Liganden in einem Koordinationskomplex durch andere Liganden ersetzt werden. | | Nukleophile Substitution | Eine Reaktion, bei der ein Nukleophil ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe (die Abgangsgruppe) ersetzt. | | Photoreaktion | Eine chemische Reaktion, die durch die Absorption von Lichtenergie initiiert oder beeinflusst wird. | | Lichtabsorption | Der Prozess, bei dem ein Atom oder Molekül Energie in Form von Photonen aufnimmt, was zu einer Anregung des Systems führen kann. Die Energie eines Photons ist gegeben durch $E = h \nu$, wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum und $\nu$ die Frequenz des Lichts ist. | | Angeregter Zustand | Ein Zustand eines Atoms oder Moleküls, bei dem eines oder mehrere seiner Elektronen auf einem höheren Energieniveau als im Grundzustand sind. | | Photokatalyse | Eine Form der Katalyse, bei der Lichtenergie genutzt wird, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen. | | Chemolumineszenz | Die Emission von Licht als Ergebnis einer chemischen Reaktion, oft wenn ein Produkt im angeregten Zustand gebildet wird, das dann unter Lichtemission in den Grundzustand übergeht. | | Fluoreszenz | Die sofortige Emission von Licht durch ein Molekül, nachdem es Licht einer kürzeren Wellenlänge (höherer Energie) absorbiert hat. | | Phosphoreszenz | Die verzögerte Emission von Licht durch ein Molekül, nachdem es Licht absorbiert hat. Das Phänomen beinhaltet oft den Übergang in einen metastabilen Triplett-Zustand. |