Einleitung:

Der Geruch von gekochtem Essen oder der Anblick von Rauch bei einem Feuer sind Beweise für eine chemische Reaktion. Während einige Anzeichen für chemische Reaktionen nicht immer klar sein mögen, gibt es Indikatoren, die ihre Existenz bestätigen. Chemische Phänomene sind ein integraler Bestandteil unseres täglichen Lebens, und ständig finden chemische Reaktionen um uns herum statt. Die Fähigkeit, diese Reaktionen zu erkennen, ist entscheidend für das Verständnis der Welt, in der wir leben. In diesem Artikel werden wir das Gesetz der Massenerhaltung besprechen.

Physische und chemische Veränderungen:

Das Gesetz der Massenerhaltung gilt für zwei Arten von Veränderungen: physische Veränderungen und chemische Veränderungen. Physische Veränderungen betreffen nur die physikalischen Eigenschaften von Materie, wie Volumen, Form und Zustand (fest, flüssig oder gasförmig). Wenn beispielsweise Wasser gefriert, ändert sich sein physikalischer Zustand von flüssig zu fest, bleibt aber Wasser. Andererseits führen chemische Veränderungen zur Bildung einer Substanz mit Eigenschaften, die sich von der ursprünglichen Substanz unterscheiden. Rost auf Eisenprodukten ist ein Beispiel für eine chemische Veränderung, ebenso wie der feste Niederschlag, der durch Mischen von zwei Flüssigkeiten wie Silbernitrat und Natriumchlorid entsteht. Der Prozess, der eine chemische Veränderung bewirkt, wird als chemische Reaktion bezeichnet.

Die Unterscheidung zwischen physischen und chemischen Veränderungen kann anhand eines gefalteten Blattes Papier veranschaulicht werden. Das Falten des Papiers ändert seine Größe und Form, eine physische Veränderung, während das Verbrennen des Papiers zu einer chemischen Veränderung führt, da eine neue Substanz entsteht. Figur 2 im Artikel veranschaulicht dieses Konzept.

Chemische Gleichungen:

Die Darstellung chemischer Gleichungen umfasst die Identifizierung der Edukte, der Substanzen, die die Reaktion durchlaufen, und der Produkte, der als Ergebnis gebildeten Substanzen. Edukte werden rechts vom Pfeil geschrieben, getrennt durch ein Pluszeichen (+), während Produkte links vom Pfeil geschrieben werden, ebenfalls durch ein Pluszeichen getrennt. Der Pfeil dazwischen repräsentiert die während der chemischen Reaktion auftretenden Veränderungen. Das Lesen der Gleichung wird durch das Wort "ergibt" angezeigt.

Mit Worten:

Chemische Gleichungen können unter Verwendung der Namen der reagierenden Substanzen und der Produkte geschrieben werden. Die verbale Gleichung für die Reaktion zwischen Essig und Natron kann als Essigsäure + Natriumhydrogencarbonat ergibt Natriumacetat + Wasser + Kohlendioxid ausgedrückt werden.

Mit chemischen Namen:

Gemeinsame Haushaltschemikalien wie Essig und Natron haben chemische Namen wie Essigsäure und Natriumhydrogencarbonat. Chemische Namen werden oft in chemischen Gleichungen anstelle von gebräuchlichen Namen verwendet. Die chemische Gleichung für die Reaktion kann wie folgt geschrieben werden:

Mit chemischen Formeln:

Chemische Gleichungen können prägnanter mit chemischen Formeln geschrieben werden. Die chemische Formel für Essigsäure ist und für Natriumhydrogencarbonat ist. Die chemische Gleichung lautet dann:

Tiefgestellte Zahlen:

Tiefgestellte Zahlen, die rechts unten an Atomen geschrieben sind, zeigen die Anzahl der Atome jedes Elements in einer Verbindung an. Zum Beispiel bedeutet die "2" in CO₂, dass ein Molekül Kohlendioxid zwei Sauerstoffatome enthält. Wenn keine Zahl neben einem Element geschrieben ist, bedeutet dies, dass sich nur ein Atom dieses Elements in der Verbindung befindet.

Diese Übersetzung deckt die wichtigsten im Originaltext auf Arabisch behandelten Konzepte zum Gesetz der Massenerhaltung, zu physischen und chemischen Veränderungen, zu chemischen Gleichungen und zur Verwendung von Worten, chemischen Namen und Formeln zur Darstellung chemischer Reaktionen ab.

Massenerhaltung:

Was passiert mit den Atomen der reagierenden Substanzen, wenn sie sich in andere Substanzen (Produkte) verwandeln? Gemäß dem Gesetz der Massenerhaltung muss die Masse der entstehenden Substanzen der Masse der reagierenden (oder eintretenden) Substanzen in der chemischen Reaktion entsprechen. Dieses Gesetz wurde vom französischen Chemiker Antoine Lavoisier (1743-1794) formuliert, einem der ersten modernen Chemiker, der Logik und wissenschaftliche Methoden zur Untersuchung chemischer Reaktionen verwendete. Lavoisier zeigte durch seine Experimente, dass in chemischen Reaktionen nichts geschaffen oder zerstört wird, außer durch den Willen Gottes.

Er erklärte, dass chemische Reaktionen mathematischen Gleichungen stark ähneln, bei denen die rechte Seite der linken Seite entspricht. Ähnlich verhält es sich bei einer chemischen Gleichung, bei der die Anzahl und Art der Atome auf beiden Seiten der Gleichung gleich sind. Jedes Atom in den Edukten erscheint auch in den Produkten, wie in der Abbildung dargestellt. Atome werden in chemischen Reaktionen weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgeordnet.

Ausgleich chemischer Gleichungen:

Wenn Sie eine chemische Gleichung für eine Reaktion schreiben, dürfen Sie das Gesetz der Massenerhaltung nicht vernachlässigen. Schauen Sie sich noch einmal Figur 4 an, die zeigt, dass die Anzahlen der Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff- und Natriumatome auf beiden Seiten des Pfeils gleich sind. Dies bedeutet, dass die Gleichung ausgeglichen ist und das Gesetz der Massenerhaltung angewendet wurde.

Nicht alle Gleichungen lassen sich jedoch so einfach ausgleichen. Betrachten Sie beispielsweise das schwarze Silber, das bei der Reaktion von Silber mit Wasserstoffsulfid in der Luft (Wasserstoffsulfid) entsteht. Die unausgeglichene Gleichung lautet wie folgt:

Ag+H2S →Ag2

S + H2

Wenn Sie die Anzahl der Atome für jedes Element in den Edukten und Produkten berechnen, werden Sie feststellen, dass die Anzahl der Wasserstoff- und Schwefelatome auf beiden Seiten gleich ist. Es gibt jedoch ein Silberatom in den Edukten und zwei in den Produkten. Das kann nicht korrekt sein, denn in einer chemischen Reaktion kann kein Silberatom aus dem Nichts entstehen. Daher wird das Gesetz der Massenerhaltung in dieser Gleichung nicht korrekt dargestellt! Setzen Sie die Zahl 2 vor das Silberatom in den Edukten und überprüfen Sie die Gleichungsbilanz, indem Sie die Anzahl der Atome für jedes Element berechnen.

2Ag+H2S→Ag2S+H2

Die Gleichung ist nun ausgeglichen, mit gleichen Mengen an Silberatomen auf beiden Seiten des Pfeils. Denken Sie daran, dass beim Ausgleichen einer chemischen Gleichung Koeffizienten vor den Formeln platziert werden, wie dies beim Silberatom der Fall ist. Diese Koeffizienten sollten die Tiefgestellten Zahlen rechts von den Atomen in der Formel der chemischen Verbindung nicht ändern; eine Änderung würde den Verbindungstyp beeinflussen.

Energie in chemischen Reaktionen:

Chemische Reaktionen setzen oft Energie frei oder absorbieren sie. In der Energie, die aus einer Schweißflamme stammt, wenn Wasserstoff und Sauerstoff sich vereinen, um Wasser zu bilden, lautet die Gleichung wie folgt:

2H2 + O2 → 2H2O + Energie 

Energiefreisetzung:

Woher kommt diese Energie? Um diese Frage zu beantworten, betrachten Sie die chemischen Bindungen, die gebrochen oder gebildet werden, wenn Atome Elektronen gewinnen, verlieren oder teilen. In solchen Reaktionen brechen Bindungen in den Edukten, um neue Bindungen in den Produkten zu bilden. Bei Reaktionen, die Energie freisetzen, sind die Produkte stabiler als die Edukte, und ihre Bindungen haben eine geringere Energie als die Bindungen in den Edukten. Der überschüssigen Energie wird in verschiedenen Formen freigesetzt, einschließlich Licht, Ton und Wärme.

Viele Arten von Reaktionen setzen Wärme frei, wie die Verbrennung, bei der eine Substanz mit Sauerstoff reagiert, um Wärme, Licht, Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen.

Schnelle Freisetzung:

Manchmal wird Energie schnell freigesetzt, wie bei einem Grillanzünder, bei dem eine Flüssigkeit mit dem Sauerstoff in der Luft reagiert und genügend Wärme erzeugt, um die Holzkohle in wenigen Minuten zu entzünden.

Langsame Freisetzung:

Es gibt Materialien, die ebenfalls mit Sauerstoff reagieren, aber die Wärme langsam freisetzen, sodass sie unsichtbar oder kaum wahrnehmbar ist. Wenn beispielsweise Eisen mit Sauerstoff in der Luft reagiert und Rost bildet, wird die Wärme langsam freigesetzt. Diese langsame Freisetzung von Wärme wird in warmen Umschlägen verwendet, die mehrere Stunden lang auf bestimmte Körperteile aufgetragen werden. Abbildung 7 zeigt den Unterschied zwischen schneller und langsamer Freisetzung von Wärme.

Energieabsorption:

Aber was passiert, wenn die Reaktion umgekehrt wird? In Reaktionen, bei denen Energie absorbiert wird, sind die Edukte stabiler als die Produkte, und die Bindungen zwischen ihnen haben weniger Energie als die Bindungen in den Produkten.

2H2O+Energie →2H2 +O2

Die obige Reaktion zeigt, dass die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um den Edukten die Bildung der Produkte zu ermöglichen, in Form von Elektrizität vorliegen kann, wie in Abbildung 8 gezeigt. Die Energie (freigesetzt oder absorbiert) bei chemischen Reaktionen kann verschiedene Formen annehmen, einschließlich elektrischer, Licht-, Ton- und thermischer Energie.

Wenn bei chemischen Reaktionen Energie freigesetzt oder absorbiert wird, werden spezifische Begriffe verwendet, um dies anzuzeigen. Eine Reaktion, die Wärme absorbiert, wird als endotherme Reaktion bezeichnet, bei der Wärme absorbiert wird. Umgekehrt gibt eine exotherme Reaktion Wärme ab. Das Wort "therm" bezieht sich auf Wärme, wie im Begriff "Thermoskanne", einem Wärmeisolator, und dem Temperaturmessgerät, dem Thermometer.

Einige chemische Reaktionen und physikalische Prozesse erfordern Wärmeenergie, bevor sie stattfinden. Kältepackungen sind zum Beispiel Beispiele für wärmeabsorbierende physikalische Prozesse. Abbildung 9 zeigt eine Kältepackung mit Wasser und Ammoniumnitrat. Wenn diese Packung gebrochen wird, löst sich das Ammoniumnitrat in Wasser auf und absorbiert Wärme aus der umgebenden Umgebung (Luft oder der Haut der betroffenen Person), nachdem die Kältepackung auf die verletzte Stelle aufgetragen wurde.

Energie in der chemischen Gleichung:

Das Wort "Energie" wird in der chemischen Gleichung mit den Edukten oder den Produkten geschrieben. Wenn das Wort Energie mit den reagierenden Substanzen geschrieben wird, zeigt dies an, dass sie eine wesentliche Komponente für das Auftreten der Reaktion sind. Zum Beispiel benötigen wir elektrische Energie, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Es ist wichtig zu wissen, dass Energie für diese Reaktion notwendig ist. Ebenso wird bei exothermen Reaktionen, die Wärme freisetzen, das Wort "Energie" zu den Produkten hinzugefügt, um die Freisetzung von Energie anzuzeigen. Das Wort "Energie" wird beispielsweise bei der Reaktion zwischen Sauerstoff und Methan hinzugefügt, wenn die Brennerflamme entzündet wird, wie in Abbildung 10 gezeigt.

Fazit:

1. Wir erkennen die Bedeutung an, chemische Reaktionen in unserem täglichen Leben zu verstehen. Die Fähigkeit, zwischen physikalischen und chemischen Veränderungen zu unterscheiden, ermöglicht es uns zu verstehen, wie Reaktionen ablaufen und neue Substanzen bilden.

2. Durch die präsentierten Konzepte zu chemischen Gleichungen und der Verwendung von chemischen Namen und Formeln gewinnen wir tiefere Einblicke darin, wie Reaktanten in neue Produkte umgewandelt werden.

3. Das Gesetz der Massenerhaltung zeigt uns, dass in chemischen Prozessen nichts zerstört oder erschaffen wird, sondern vielmehr eine Umverteilung und Veränderung in der Verteilung von Atomen stattfindet. Dieses Verständnis hilft uns, gewöhnliche Phänomene und Veränderungen, die wir in unserem Leben beobachten, zu erklären.

Experimentieren Sie selbst mit der Vlaby Virtual Science Worker-Plattform

Wenn Sie mehr über das Experiment und die Schlussfolgerung erfahren und lesen möchten, klicken Sie hier.