Die Frage, ob alle Stoffe aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen, ist eine grundlegende Frage der Chemie und Physik. Um diese Frage umfassend zu beantworten, ist es notwendig, den Aufbau von Atomen, die Entwicklung der Atommodelle und die Zusammensetzung verschiedener Stoffe zu betrachten.
Die Struktur von Atomen
Die kleinsten Bausteine, aus denen alle Stoffe bestehen, werden Atome genannt. Alles ist aus Atomen aufgebaut. Atome können mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden. Sie bestehen aus einem Atomkern, in dem sich positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen befinden, und einer Atomhülle, in der sich negativ geladene Elektronen befinden. Der Aufbau von Atomen wird in Modellen beschrieben. Vereinfacht kann man sagen: Alle Atome bestehen aus einem Atomkern mit Protonen und Neutronen und einer Hülle mit Elektronen.
- Atomkern: Der Atomkern befindet sich in der Mitte des Atoms und enthält Protonen und Neutronen. Protonen sind positiv geladen, während Neutronen neutral sind. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl des Elements.
- Atomhülle: Die Atomhülle umgibt den Atomkern und enthält Elektronen. Elektronen sind negativ geladen und bewegen sich in bestimmten Bahnen oder Orbitalen um den Atomkern. Die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle entspricht im Normalfall der Anzahl der Protonen im Atomkern, wodurch das Atom elektrisch neutral ist.
Atome sind im Normalfall elektrisch neutral, da sie genauso viele Protonen wie Elektronen besitzen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern wird auch Ordnungszahl genannt. Diese Ordnungszahl definiert jedes Element. Die Ordnungszahl bestimmt zudem den Platz eines Elements im Periodensystem. Eine weitere wichtige Größe ist die Massenzahl. Sie ergibt sich als Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen. In der Atomhülle bewegen sich die Elektronen. Eigenschaften, wie Größe oder Reaktionsverhalten eines Stoffes, hängen von den Vorgängen in der Atomhülle ab. Atome können bei chemischen Reaktionen Elektronen abgeben oder aufnehmen. Es entstehen elektrisch geladene Atome, die sogenannten Ionen. Betrachten wir als Beispiel das Atom Natrium (Na). Die Ladung der Elektronen sowie Protonen wird als Elementarladung (e) bezeichnet und besitzt die Einheit Coulomb (C). Die Beträge beider Ladungen sind gleich. Die Elementarladungen unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen. Die Masse eines Atoms wird als Atommasse bezeichnet. Dabei wird zwischen absoluter Atommasse und relativer Atommasse unterschieden. Die Einheit der absoluten Atommasse ist u, oder die atomare Masseneinheit amu. Die relative Atommasse wird ohne Einheit angegeben und gibt das Verhältnis der absoluten Masse zur atomaren Masseneinheit an.
Die Entwicklung der Atommodelle
Atommodelle sind Vorstellungen über den Aufbau der Atome. Bei den meisten Modellen steht die Struktur der Atomhülle im Fokus. Moderne Atommodelle beruhen auf wissenschaftlichen Experimenten und Beobachtungen.
- Frühe Vorstellungen: Bereits im 5. Jahrhundert vor Christus bestand die Vermutung, dass Stoffe aus kleinen, unteilbaren Teilchen bestehen. Demokrit war Materialist und Hauptvertreter der antiken Atomistik.
- Thomsonsches Atommodell: J. J. Thomson stellte zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Atommodell vor. Die Atome sind laut diesem Modell kugelförmig und bestehen aus einer positiv geladenen Masse, in die negativ geladene Elektronen eingebettet sind. Diese Vorstellung wird häufig mit Rosinen in einem Kuchen verglichen und daher auch Rosinenmodell genannt.
- Rutherfordsches Atommodell: Das Atommodell von Thomson wurde wenige Jahre später durch Ernest Rutherford erweitert. Seine Erkenntnisse beruhen ebenfalls auf Experimenten. Im sogenannten rutherfordschen Streuversuch untersuchte er den Durchgang von Alphastrahlung durch eine dünne Metallfolie. Ein großer Teil der Strahlung ging hindurch und nur ein kleiner Teil wurde reflektiert. Daraus schloss er, dass ein Großteil des Volumens von Atomen leer ist. Die Masse und die positive Ladung müssen sich also im Inneren des Atoms befinden und ein geringes Volumen besitzen.
- Bohrsches Atommodell: Im Jahr 1913 verfeinerte Niels Bohr Rutherfords Modell und brach dabei radikal mit einigen Vorstellungen der klassischen Physik. Laut diesem Modell bewegen sich die Elektronen nur auf bestimmten Bahnen, denen jeweils eine bestimmte Energie zugeordnet wird, um den Atomkern. Bei passender Energiezufuhr können die Elektronen auf eine weiter vom Kern entfernte Bahn springen.
- Moderne Atommodelle: Die Vorstellung, Atome in Modellen als Teilchen darzustellen, rückte mit der Entwicklung der Quantenphysik in den Hintergrund. Man kam zu der Auffassung, dass sich Atome nur in komplizierten mathematischen Modellen beschreiben lassen. So kann für die Elektronen nie genau angegeben werden, wo sie sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden, es kann lediglich eine Wahrscheinlichkeit für einen Bereich, in dem sie sich aufhalten, angegeben werden. Der Bereich, in dem diese Wahrscheinlichkeit beträgt, wird als Orbital bezeichnet. Der Atomkern wurde zunächst als unstrukturierter, positiv geladener Bereich betrachtet. Im Jahr 1932 wurde dann das Neutron entdeckt und wenig später entwickelten Werner Heisenberg und D. D. Iwanenko das Proton-Neutronen-Modell.
Vereinfachte Atommodelle
Aktuelle Atommodelle sind sehr kompliziert, da sie alle physikalischen Erkenntnisse der letzten Jahre berücksichtigen. Dieses Modell baut auf dem bohrschen Atommodell auf, enthält aber auch Elemente aus dem Orbitalmodell. Es besagt, dass sich die Elektronen auf kreisförmigen Schalen um den Atomkern bewegen. Jede Schale steht für eine andere Energie und kann jeweils nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Eine Erweiterung des Schalenmodells in Richtung des Orbitalmodells ist das Kugelwolkenmodell. Es besagt, dass sich die Elektronen in den einzelnen Schalen in sogenannten Kugelwolken befinden. Die Kugelwolken sind der Aufenthaltsraum der Elektronen und eine vereinfachte Darstellung der Orbitale.
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Nuklide und Isotope
Die Atome eines chemischen Elements haben im Atomkern immer dieselbe Anzahl an (positiv geladenen) Protonen und somit immer die gleiche Kernladung. Anhand der Anzahl der Protonen im Kern lassen sich die Elemente systematisch im Periodensystem der Elemente darstellen. Die Anzahl der Neutronen in den Atomkernen und somit die Atommasse kann hingegen variieren.
Als Nuklid bezeichnet man Atome, die in der Anzahl der Protonen und Neutronen exakt übereinstimmen. Unterscheiden sich zwei Atomkerne in der Anzahl der Neutronen, aber nicht in der Anzahl der Protonen, dann spricht man von sogenannten Isotopen (griechisch für: am gleichen Ort (im Periodensystem)). Zu einem chemischen Element können demnach mehrere Isotope gehören, die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Bei einigen Nukliden zerfallen die Atomkerne ohne äußere Einwirkung, das heißt sie wandeln sich in andere Atomkerne um. Diese Nuklide werden Radionuklide genannt.
Bei diesem Prozess wird ionisierende Strahlung ausgesendet. In der Natur gibt es einige natürlich vorkommende Radionuklide, zum Beispiel Tritium (Tritium ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs). Jedes Radionuklid hat eine charakteristische Halbwertszeit. Dies ist die Zeitspanne, in der die Hälfte der von einem Ausgangsmaterial vorhandenen Menge eines Radionuklids zerfällt. Dabei lässt sich nicht vorhersagen, welches Atom wann zerfällt.
Die Entdeckung von Protonen und Neutronen
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannten die Physiker beim Beschuss von Atomen mit energiereichen Teilchen (Philipp Lenard: Beschuss mit schnellen Elektronen; Ernest Rutherford: Beschuss mit energiereichen (\alpha)-Teilchen), dass Atome keine homogenen Massekugeln sind, sondern eine Struktur aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle besitzen. 1919 entdeckte Rutherford, dass im Atomkern des Stickstoffs Atomkerne des Wasserstoffs vorhanden sind. Rutherford vermutete bereits 1920, dass sich in Atomkernen neben den Protonen noch eine weitere Sorte von Teilchen befindet, die elektrisch neutral ist und deren Masse sehr nahe bei der Protonenmasse liegt. 1921 führte William Draper Harkins für dieses hypothetische Teilchen den Namen Neutron ein. Erst im Jahre 1932 konnte James Chadwick die Neutronen experimentell nachweisen.
Masse, Ladung und Durchmesser von Protonen, Neutronen und Elektronen
Die Masse von Proton und Neutron ist ungefähr gleich, aber jeweils etwa (1800) Mal so groß wie die eines Elektrons der Hülle.
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Tab. 1 Masse, Ladung und Durchmesser von Proton und Neutron im Vergleich zum Elektron
| Teilchen | Masse | Ladung | Durchmesser |
|---|---|---|---|
| Proton | ({1{,}6727\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}) | ({+1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=+e) | (\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}) |
| Neutron | ({1{,}6750\cdot10^{-27}\,\rm{kg}}\approx {1\cdot \rm{u}}) | ungeladen | (\text{ca. }1\cdot10^{-15}\,\rm{m}) |
| Elektron | (9{,}109\cdot 10^{-31}\,\rm{kg}\approx {0{,}0005\cdot \rm{u}}) | ({-1{,}6022\cdot 10^{-19}\,\rm{As}}=-e) | (< 1\cdot 10^{-18}\,\rm{m}) |
Für die Angabe von Kernmassen wird anstelle von Angaben in (\rm{kg}) oft die atomare Masseneinheit (\rm{u}) genutzt.
Quarks: Die Bausteine von Protonen und Neutronen
Aufbauend auf den theoretischen Vorhersagen von André Petermann, Murray Gell-Mann und George Zweig Anfang der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts zeigten Experimente mit großen Teilchenbeschleunigern zwischen 1965 und 1970, dass Protonen und Neutronen jeweils aus zwei noch kleineren Teilchen aufgebaut sind - sogenannten Quarks.
Nuklide, Massenzahl und Neutronenzahl
Die Anzahl der Neutronen im Atomkern eines Elementes kann variieren. So hat zwar Wasserstoff typischerweise kein Neutron, es existieren aber auch sogenannte Isotope des Wasserstoffatoms mit einem bzw. zwei Neutronen im Atomkern. Für die Bindung der Elektronen an einen Atomkern sind die Protonen maßgeblich, daher ist die Elektronenhülle von Isotopen nahezu identisch. Jeder Atomkern besteht also aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und einer bestimmten Anzahl von Neutronen. Die dadurch möglichen verschiedenen Arten von Atomen bezeichnet man als Nuklide. Ein Nuklid ist also eine Art (Sorte) von Atomen, charakterisiert durch die beiden Zahlen (Z) und (N), die angeben, aus wie vielen Protonen ((Z)) und wie vielen Neutronen ((N)) ihre Atomkerne bestehen. Die Massenzahl (A=Z+N) bestimmt ungefähr die Kernmasse (m{\rm{K}}) bzw. Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl in einem Atomkern bezeichnet man mit (A) und nennt diese Zahl Nukleonenzahl oder Massenzahl. Es gilt also[A=Z+N]Die Massenzahl (A) bestimmt ungefähr die Kernmasse (m{\rm{K}}) und die Atommasse (m{\rm{A}}). Zur einfachen und eindeutigen Beschreibung des Atomkerns eines Elements (\rm{X}) mit seiner Ordnungszahl (Z) und seiner Massenzahl (A) wird die folgende Darstellung genutzt:[Z^A{\rm{X }} \buildrel \wedge \over = \;{{\rm{Ordnungszahl}}}^{{\rm{Massenzahl}}}{\rm{Elementsymbol}},\;{\text{also z.B}}.\;{\rm{6}}^{{\rm{14}}}{\rm{C}}]Dabei ist (\rm{X}) das Elementsymbol, (Z) die Ordnungszahl und (A) die Massenzahl des Atomkerns.Aus der Differenz von Massenzahl (A) und Ordnungszahl (Z) ergibt sich die Neutronenzahl (N): (N=A-Z)Beispiel(\rm{}^{14}_{6}{C}) besagt: Es handelt sich um Kohlenstoff mit der Kernladungszahl (Z=6), der Massenzahl (A=14) und der Neutronenzahl (N=14-6=8).
Die Rolle der Chemie
Die Chemie ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Bei chemischen Reaktionen werden Bindungen zwischen Atomen getrennt und neu gebildet, es findet also eine Stoffumwandlung statt. Alle Vorgänge, bei denen mindestens ein neuer Stoff entsteht, gehören mithin in den Bereich der Chemie. Alle Eingriffe, die die Zusammensetzung des Stoffes (Stoff = Substanz) hinsichtlich der Elemente, aus denen er besteht unverändert lassen (z. B.: Schmelzen, Erstarren), gehören hingegen zur Physik.
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Valenzelektronen und chemische Bindungen
Ein Atom besteht aus dem Kern mit Protonen und Neutronen sowie der Elektronenhülle. Vereinfacht kann man annehmen, dass die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern kreisen (Orbitale). Da ein Atom ungeladen ist, ist die Zahl der Protonen gleich der Zahl der Elektronen. Die meisten Atome kommen nur in Verbindungen vor. Als Valenzelektronen bezeichnet man jene Elektronen, die bei einer chemischen Bindung mitwirken. Sie befinden sich auf der äußersten Schale, allerdings wirken beim D-Block (Übergangsmetalle) auch die Elektronen der zweitäußersten Schale mit, bei Lanthanoiden und Actinoiden sogar jene der drittäußersten. Die Außenschale ist im idealen Zustand, wenn sie voll besetzt ist, daher gilt die für alle Elemente der Hauptgruppen die Oktettregel (ausgenommen Wasserstoff und Helium, da die innerste Schale bereits mit 2 Elektronen voll besetzt ist), denn die Außenschale benötigt dazu insgesamt 8 Elektronen. Ab der dritten Periode können die Hauptgruppenelemente in Verbindungen ihr „Oktett erweitern“, wie z. B. der Schwefel in Schwefelsäure beweist. Die Anzahl der Valenzelektronen lässt sich bei Hauptgruppenelementen durch einen Blick ins Periodensystem feststellen, die Elemente der 1.Hauptgruppe (Alkalimetalle) haben ein Außenelektron, die Elemente der 2. Bei den Metallen im D-Block und der höheren Perioden kann es aber auch zu halb besetzten Schalen kommen, da auch dieser Zustand sehr stabil ist.
Elemente und das Periodensystem
Elemente bestehen aus Atomen mit identischer Ordnungszahl (auch Protonenzahl), aber nicht unbedingt gleicher Neutronenzahl (Elemente mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Neutronen- und Massenzahl nennt man Isotope). Jedes Element reagiert auf eine bestimmte Art und Weise, doch lassen sich auch hier Periodizitäten erkennen, nach denen man die Elemente ordnen kann. In diesem Periodensystem verhalten sich untereinander stehende Elemente sehr ähnlich und werden zu Gruppen zusammengefasst. Alle Elemente einer Gruppe haben dieselbe Zahl an Außenelektronen. Waagrechte Zeilen im Periodensystem geben die Elemente mit der gleichen Zahl an Schalen wieder, wobei die Ordnungszahl von links nach rechts zunimmt. Jedem Element im Periodensystem ist eine bestimmte Abkürzung zugeordnet, die sich an die lateinische Form des Namens anlehnt.
Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle
Metalle haben nur wenige und/oder weit vom Kern entfernte und daher schwach gebundene Valenzelektronen, welche sie leicht abgeben können (geringe Ionisierungsenergie, geringe Elektronegativität). Dadurch bilden sie oft positive Ionen, indem sie ihre Valenzelektronen abgeben und so die äußerste Schale auflösen. Im elementaren Zustand sind Metalle metallisch glänzende Feststoffe, die den elektrischen Strom leiten. Nichtmetalle haben viele Valenzelektronen, die fest an den Kern gebunden sind (hohe Ionisierungsenergie, hohe Elektronegativität). Sie erreichen den Edelgaszustand durch Elektronenaufnahme und bilden dadurch negativ geladene Anionen. Die Halbmetalle lassen sich hierbei nicht wirklich einordnen, denn sie vereinigen in sich typische Eigenschaften beider Klassen (beispielsweise glänzen viele davon metallisch, sind aber schlechte Leiter). Ihre Elektronegativität und ihre Ionisierungsenergie liegt zwischen den entsprechenden Werten für Metalle und Nichtmetalle.
Chemische Verbindungen und Bindungsarten
Die Atome, aus denen alle uns umgebenden Materialien bestehen, können sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Sind die Summe und die Differenz der Elektronegativitäten der Bindungspartner klein, so kommt es zur Metallbindung. Die Atome geben ihre Außenelektronen ab und bilden ein Metallgitter, in dem die freien Außenelektronen frei beweglich sind. Diese freien Außenelektronen sind der Grund für die gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Metalllegierungen. Bei einer großen Differenz der Elektronegativitäten (Nichtmetall+Metall) kommt es zur Ionenbindung (= Salz). Das Element mit der geringeren Elektronegativität gibt seine Außenelektronen ab, die vom Bindungspartner aufgenommen werden. Die dadurch entstehenden Ladungen sorgen für starke elektrostatische Kräfte, die Kationen und Anionen zusammenhalten. Salze sind elektrisch neutral, daher gibt es für jedes Salz ein bestimmtes Verhältnis von Kationenzahl zu Anionenzahl. Es bildet sich ein Kristallgitter, was zu einer schlechten Wärmeleitfähigkeit sowie einem hohen Schmelz- und Siedepunkt führt und außerdem für die Sprödigkeit von Salzen verantwortlich ist, da sich bei einer Deformation der Struktur gleichnamige Ladungen nebeneinander befinden und abstoßen. Ein Ion kann auch mehrere Atome enthalten. Allgemein unterscheidet man hier hauptsächlich zwischen negativ geladenen Säurerestionen und positiv geladenen Ionen, die sich durch Anlagerung von H+ an Basen bilden. Ist die Summe der Elektronegativitäten groß, deren Differenz jedoch gering, bildet sich die kovalente Bindung (Nichtmetall+Nichtmetall). Die Bindungspartner teilen sich dabei ein oder mehrere Elektronenpaare, die dann zu beiden gehören. So erreichen sie den Edelgaszustand. Es gibt nach der Anzahl der bindenden Elektronenpaare Einfach- und Mehrfachbindungen, was sich in der Lewis-Formel widerspiegelt. Weil die starken Bindungskräfte hier nur zwischen je zwei Atomen wirken, bilden sich klar abgegrenzte Strukturen heraus, diese nennt man Moleküle. Da es aber auch bei der kovalenten Bindung geringe Elektronegativitätsunterschiede gibt, kann es zu einer Polarisierung des Moleküles kommen.
Reinstoffe und Gemenge
Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern auch, wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen und anderen organischen Verbindungen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften, sondern auch deren räumliche Ausrichtung (siehe Isomerie). Reinstoffe bestehen immer nur aus einer Art von Verbindung. Sie haben einen fixen Schmelz- und Siedepunkte und bestimmte Physikalische und chemische Eigenschaften. Sie lassen sich mithilfe von Summenformeln beschreiben, die die Zahlenverhältnisse angeben. Alle Elemente können gleichzeitig auch dieser Kategorie zugeordnet werden. Gemenge (Stoffgemische) enthalten verschiedene Arten von Reinstoffen, sie haben einen Schmelz- und Siedebereich. Bei einem homogenen Gemenge sind die Bestandteile auf molekularer Ebene vollkommen durchmischt, sodass sie sich nicht mehr z. B.: durch bloße Filtration voneinander trennen lassen. Bei einem heterogenen Gemenge ist die Durchmischung nicht vollständig.
Chemische Reaktionen
Die Chemie kennt eine Vielzahl verschiedener Arten chemischer Reaktionen. Sie haben jedoch alle gemeinsam, dass mindestens ein Stoff umgesetzt wird (Stoffumwandlung = chemische Reaktion). Bei den beteiligten Stoffen unterscheidet man Edukte (Ausgangsstoffe) und Produkte (Endstoffe). Bei den meisten Reaktionen findet diese aber nicht nur in Richtung der Produkte statt, sondern es gibt auch eine Rückreaktion. Aus diesem vereinfachten Grundtyp eines Reaktionsschemas lassen sich alle anderen ableiten. Mit Zahlen vor den Reaktanden (Koeffizienten) wird zusätzlich noch das Molzahlenverhältnis angegeben, wobei die „1“ nicht geschrieben wird. Das chemische Gleichgewicht ist ein Zustand des dynamischen Gleichgewichtes in einem System, was bedeutet, dass von außen keine Reaktion mehr zu beobachten ist, obwohl sie immer noch stattfindet. Der Grund dafür, dass der äußere Zustand des Systems unverändert bleibt, ist, dass die Hin- und Rückreaktion im gleichen Tempo verlaufen. Dieses dynamische Gleichgewicht lässt sich beweisen, indem man einige Moleküle markiert.
Thermodynamische Gleichgewichtskonstante
Für beliebige Gleichgewichte kann man die sogenannte Thermodynamische Gleichgewichtskonstante K definieren, die die Lage des Gleichgewichts beschreibt. mit Aktivitäten a und Stöchiometrischen Koeffizienten ν. In vielen Fällen lässt sich die Aktivität näherungsweise durch die Konzentration c des Stoffes ersetzen. Die Gleichgewichtskonstante wird dann zur besseren Kennzeichnung mit Kc bezeichnet. Weiterhin ist es möglich, Gleichgewichtskonstanten mit dem Stoffmengenanteil x oder dem Partialdruck p aufzustellen. Diese besitzen jedoch dann einen anderen Zahlenwert und können daher nicht direkt in die Gleichungen der Thermodynamik eingesetzt werden. Sie müssen also vorher in „K's“ umgerechnet werden.
Prinzip von LeChatelier
Nach dem Prinzip von LeChatelier (Prinzip vom kleinsten Zwang) versucht ein System, äußeren Zwängen auszuweichen. Wenn bei einer Reaktion eine Verringerung des Volumens auftritt, so wird eine Druckerhöhung die Hinreaktion beschleunigen. Umgekehrt wiederum beschleunigt eine Druckverminderung die Rückreaktion. Wächst die Enthalpie bei einer endothermen Reaktion, so kann ein Temperaturanstieg diese beschleunigen. Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie für eine Reaktion herab, indem sie den Reaktionsweg über Zwischenstufen leiten, wobei der Energieaufwand für diesen Weg weitaus geringer ist als für die direkte Variante. Katalysatoren werden nicht umgesetzt, d. h. die Stoffmenge an Katalysator vor die Reaktion ist gleich der Stoffmenge nach der Reaktion.
Redoxreaktionen und Säure-Base-Reaktionen
Unter dem Begriff „Redoxreaktionen“ werden die Oxidation und die Reduktion zusammengefasst. Diese völlig gegenteiligen Reaktionen sind bei der Oxidation Elektronenabgabe (veraltet: Sauerstoffaufnahme/Wasserstoffabgabe) und bei der Reduktion Elektronenaufnahme (veraltet: Sauerstoffabgabe/Wasserstoffaufnahme). Rasche Oxidation wird auch als „Verbrennung“ bezeichnet. Wenn ein Stoff Elektronen aufnimmt, muss sie ein anderer Stoff zuvor abgegeben haben. Daher kommen Reduktion und Oxidation stets gemeinsam vor. Das ist bei Erstellen eines Reaktionsschemas für Redoxreaktionen zu berücksichtigen. Reduktionsmittel geben Elektronen ab, Oxidationsmittel nehmen sie auf. Nach der Säure-Base-Theorie nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor. Die Säure gibt bei Säure-Base-Reaktionen ein Wasserstoffion ab, welches von einer Base aufgenommen wird. Wenn eine Säure mit einer Base reagiert, nennt man diesen Vorgang Neutralisation, da das entstehende Salz einen weniger sauren/basischen pH-Wert hat als die Ausgangssubstanzen. Handelt es sich bei der Base um ein Metallhydroxid, entsteht als Nebenprodukt Wasser. Die Säure-Base-Theorie nach Lewis entspricht der Oxidation, wobei eine Lewis-Säure ein Elektronenakzeptor und eine Lewis-Base ein Elektronendonator ist.
Komplexe und Nachweisreaktionen
Sehr häufig kommt es in der anorganischen Chemie zur Bildung von farbigen Komplexen. Um ein Zentralatom (meist ein Metallion) lagern sich bei einer Komplexbildungsreaktion nach einem bestimmten Schema Liganden an und sorgen so beispielsweise für eine massive Verbesserung der Löslichkeit. Diese Liganden gehen dabei eine koordinative Bindung mit dem Zentralatom ein. Um in unbekannten Stoffproben bestimmte Stoffe zu identifizieren, setzt man Nachweismittel zu. Diese reagieren mit dem gesuchten Stoff in bekannter Weise (Säure-Base-, Redox-, Komplexbildungs- und Fällungsreaktionen - siehe unter Nachweisreaktionen). Nachweisreaktionen zeichnen sich durch gute Erkennbarkeit aus, so dass z. B. charakteristisch gefärbte Lösungen und Niederschläge sowie spezifische Gerüche auftreten. Eventuell ähnlich reagierende Stoffe müssen zuvor abgetrennt oder maskiert werden.