Chemische Gesetze

Periodizitätsgesetz 

Das Periodensystem der chemischen Elemente entstand auf der Grundlage des von Dmitri Mendelejew Ende des 19. Jahrhunderts formulierten Periodizitätsgesetzes, das besagt, dass „sich die Eigenschaften der chemischen Elemente, geordnet nach steigender Ordnungszahl, periodisch wiederholen“.  Die Anordnung der Elemente im Periodensystem ermöglicht es, solche Zusammenhänge schnell zu interpretieren, wie z.B.:

1. die Nummer der Valenzschale, da sie gleich der Periodenzahl ist,
2. die Anzahl der von den Elektronen besetzten Elektronenschalen, da sie gleich der Periodenzahl ist,
3. die Anzahl der Valenzelektronen, da sie der Gruppennummer 1-2 entspricht oder bei den Gruppen 13-18 um 10 reduziert ist.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Eigenschaften, die uns auch die Position des Elements für die Blöcke s und p vorschlagen können:

1. mit zunehmender Ordnungszahl in einer Gruppe steigen: der Atomradius, die metallische Natur, die Aktivität von Metallen,
2. mit zunehmender Ordnungszahl in der Gruppe sinken: Elektronegativität, Elektronenaffinität, Ionisierungsenergie, Aktivität der Nichtmetalle,
3. mit zunehmender Ordnungszahl in einer Periode steigen: Elektronegativität, Elektronenaffinität, Ionisierungsenergie, Aktivität der Nichtmetalle,
4. mit zunehmender Ordnungszahl in einer Periode sinkt: der Atomradius (außer bei Helium), die Aktivität der Metalle, die metallische Natur.

Massenerhaltungssatz  

Das erste Grundgesetz, mit dem man in der Regel beginnt, die chemischen Reaktionen kennen zu lernen, ist der Massenerhaltungssatz.  In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts formulierten Michail Lomonossow und Antoine Lavoisier unabhängig voneinander die Aussage, dass sich die Gesamtmasse der Reaktanten während einer chemischen Reaktion nicht ändert.  Genauer gesagt, muss in einem geschlossenen System die Gesamtmasse aller Substrate gleich der Gesamtmasse aller entstehenden Produkte der Reaktion sein.  Die Erhaltung der Masse ist auf die konstante Anzahl der Atome bestimmter Elemente zurückzuführen, die unabhängig von ihrer Form die gleiche Masse haben. Jedes Atom im Reaktanten hat das gleiche Gewicht wie das im Produkt, und seine Menge bleibt ebenfalls erhalten. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit, die Reaktionsgleichungen zu bilanzieren. Das Massenerhaltungsgesetz lässt sich in kürzester Form mit folgender Gleichung beschreiben:

Masse der Substrate = Masse der Produkte

Dies ist ein besonders nützlicher Zusammenhang, der bei Kenntnis des Reaktionsverlaufs die Bestimmung der Massen der beteiligten Verbindungen ermöglicht. Wenn wir die Stöchiometrie kennen, können wir zum Beispiel auch die Masse des Produkts berechnen, das sich aus einer bestimmten Menge des Substrats bildet, oder umgekehrt. Da wir wissen, wie viel Produkt wir erhalten möchten, können wir die für die Reaktion benötigte Menge an Substraten berechnen.

Gesetz der konstanten Proportionen  

Ein weiterer wichtiger Bezugspunkt ist das Gesetz der konstanten Proportionen, auch bekannt als Proustsches Gesetz. Im Jahr 1779 formulierte Joseph Proust einen Zusammenhang, der besagt, dass: „Jede Verbindung hat eine konstante und unveränderliche quantitative Zusammensetzung, was bedeutet, dass das Gewichtsverhältnis der Elemente, aus denen die Verbindung besteht, immer konstant und gleich ist“. Das bedeutet, dass jedes Molekül, das wir kennen, aus einer bestimmten Anzahl von Atomen aufgebaut ist. Ihre Masse hingegen ist konstant und ändert sich auch bei chemischen Reaktionen nicht. Daraus ergibt sich die Aussage, dass die Gewichtsverhältnisse der Atome in einem Molekül immer gleich sind, egal wie eine chemische Verbindung hergestellt wird. Zum Beispiel hat ein Wassermolekül mit der Formel H₂O immer ein Gewichtsverhältnis der Elemente von 1:8, und ein Methanmolekül mit der Formel CH₄ hat ein Gewichtsverhältnis von 1:0,333.  Wenn das Gewichtsverhältnis durch einen der beiden Reaktanten gestört wird, wird das überschüssige Element nicht überreagieren.

Gesetz der multiplen Proportionen  

Das von John Dalton zu Beginn des 19. Jahrhunderts aufgestellte Gesetz der multiplen Proportionen wird wie folgt formuliert: „Bilden zwei Elemente zwei oder mehr Verbindungen miteinander, so verhalten sich die Gewichtsmengen des einen Elements, die sich in diesen Verbindungen mit der gleichen Gewichtsmenge des anderen Elements verbinden, zueinander wie einfache natürliche Zahlen“. Dies bedeutet, dass die chemischen Formeln von Verbindungen keine unvollständigen Zahlen enthalten sollten. Wenn, wie bei den Stickstoffoxiden, 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 Sauerstoffatome auf ein Stickstoffatom kommen, multipliziert man mit zwei, um die konstante Anzahl der Gewichtseinheiten zu bestimmen, und erhält so die Formeln: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅.

Avogadrosches Gesetz  

Wichtig für chemische Berechnungen ist das Avogadrosche Gesetz. Es stellt die Annahme dar, dass die molaren Mengen eines beliebigen Stoffes im gasförmigen Zustand unter gleichen physikalischen Bedingungen das gleiche Volumen einnehmen. Die gebräuchlichsten Werte, die bei Umrechnungen verwendet werden, gehen davon aus, dass unter normalen Bedingungen, d.h. bei einer Temperatur von 273 K und einem Druck von 1013 hPa, ein Mol eines beliebigen Gases ein Volumen von 22,4 dm³ einnimmt. Dieser Wert wird gemeinhin als molares Volumen bezeichnet.  Darüber hinaus angenommen wird eine weitere Zahl für Moleküle: „in gleichen Volumina verschiedener Gase unter gleichen Temperatur- und Druckbedingungen die gleiche Anzahl von Teilchen vorhanden ist“. Es wird angenommen, dass 1 Mol einer bestimmten Verbindung unter den oben genannten normalen Bedingungen 6,022∙10²³ Moleküle enthält.

Gesetz von Gay-Lussac  

Das 1808 von Joseph Gay-Lussac formulierte Gesetz von Gay-Lussac besagt, dass sich die Volumina der an der betrachteten chemischen Reaktion beteiligten Stoffe im gasförmigen Zustand unter gleichen Temperatur- und Druckbedingungen zueinander als einfache natürliche Zahlen verhalten.. Dies ist eine Konsequenz aus dem Avogadroschen Gesetz. Sind beispielsweise an der Reaktion gleiche Volumina an Wasserstoff- und Chlormolekülen von jeweils 6,022∙10²³ beteiligt, so entstehen zwei Moleküle Chlorwasserstoff mit einer Teilchenzahl von 2∙6,022∙10²³

Das Prinzip vom kleinsten Zwang 

Das Prinzip von Le Chatelier, auch bekannt als das Prinzip vom kleinsten Zwang, beschreibt das Verhalten eines chemischen Systems, wenn ein chemisches Gleichgewicht gestört ist.  Es stellt sich heraus, dass, wenn ein externes Agens auf ein System im chemischen Gleichgewicht einwirkt, die Reaktion des Systems dazu neigt, die Wirkung dieses Faktors zu minimieren.  Die Reaktion kann durch Änderungen der Konzentration der Reaktanten, der Temperatur des Systems oder des Drucks (Gasphasenreaktionen) gestört werden. Bei der Bewertung der Auswirkungen von Veränderungen werden die Begriffe „Gleichgewichtsverschiebung nach rechts“ verwendet, wenn mehr Produkte gebildet werden, und „Gleichgewichtsverschiebung nach links“, wenn mehr Substrate gebildet werden.

1. Änderung der Menge der Reaktanten – wenn wir die Konzentration des Substrats erhöhen, verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts, da das System versucht, die Konzentration des zugesetzten Mittels zu verringern. Erhöht man dagegen die Konzentration des Produkts, versucht das System, die Konzentration des Produkts zu verringern, und das Gleichgewicht verschiebt sich nach links.
2. Änderung des Drucks oder des Volumens – vergessen Sie nicht, dass der Druck umgekehrt proportional zum Volumen ist, d.h. wenn Sie das Volumen vergrößern, nimmt der Druck ab. Dies gilt nur für Reaktionen, bei denen die Reaktanten in gasförmiger Form vorliegen.  Die Grundlage ist die Bestimmung der Anzahl der Mole des Gases auf der Substrat- und der Produktseite. Wenn nur ein Mol des Gases in den Produkten und zwei Mol des Gases in den Substraten vorhanden sind, üben die Substrate einen höheren Druck aus.  Wenn das Volumen zunimmt oder der Druck abnimmt, verschiebt sich das Gleichgewicht eines solchen Systems nach links.
3. Temperaturänderung – Wärme kann als einer der Reaktanten behandelt werden. Wenn wir also eine exotherme Reaktion betrachten, wird das System bei einer Erhöhung der Temperatur versuchen, diese zu senken, indem es das Gleichgewicht nach links verschiebt.