Was bedeutet Reaktivität in der Chemie?

In der Chemie ist die Reaktivität ein Maß dafür, wie schnell eine Substanz eine chemische Reaktion eingeht. Die Reaktion kann die Substanz für sich oder mit anderen Atomen oder Verbindungen beinhalten, im Allgemeinen unter Freisetzung von Energie. Die reaktivsten Elemente und Verbindungen können sich spontan oder explosionsartig entzünden. Sie verbrennen in der Regel in Wasser sowie den Sauerstoff in der Luft. Die Reaktivität ist temperaturabhängig. Durch die Erhöhung der Temperatur wird die für eine chemische Reaktion verfügbare Energie erhöht, was in der Regel die Wahrscheinlichkeit erhöht.

Eine andere Definition der Reaktivität ist die wissenschaftliche Untersuchung chemischer Reaktionen und ihrer Kinetik.

Reaktivitätsverlauf im Periodensystem

Die Organisation der Elemente im Periodensystem ermöglicht Vorhersagen bezüglich der Reaktivität. Sowohl hochelektropositive als auch hochelektronegative Elemente neigen stark zur Reaktion. Diese Elemente befinden sich in der rechten oberen und linken unteren Ecke des Periodensystems und in bestimmten Elementgruppen. Die Halogene, Alkalimetalle und Erdalkalimetalle sind hochreaktiv.

• Das reaktivste Element ist Fluor, das erste Element in der Halogengruppe.
• Das reaktivste Metall ist Francium, das letzte Alkalimetall (und das teuerste Element). Francium ist jedoch ein instabiles radioaktives Element, das nur in Spuren vorkommt. Das reaktivste Metall mit einem stabilen Isotop ist Cäsium, das sich direkt über dem Francium im Periodensystem befindet.
• Die am wenigsten reaktiven Elemente sind die Edelgase. Innerhalb dieser Gruppe ist Helium das am wenigsten reaktive Element und bildet keine stabilen Verbindungen.
• Metall kann mehrere Oxidationsstufen haben und neigt zu einer mittleren Reaktivität. Metalle mit geringer Reaktivität werden Edelmetalle genannt. Das am wenigsten reaktive Metall ist Platin, gefolgt von Gold. Aufgrund ihrer geringen Reaktivität lösen sich diese Metalle nicht leicht in starken Säuren. Königswasser, eine Mischung aus Salpetersäure und Salzsäure, wird zum Auflösen von Platin und Gold verwendet.

Wie Reaktivität funktioniert

Eine Substanz reagiert, wenn die bei einer chemischen Reaktion gebildeten Produkte eine geringere Energie (höhere Stabilität) als die Reaktanten aufweisen. Die Energiedifferenz kann unter Verwendung der Valenzbindungstheorie, der Atomorbitaltheorie und der Molekülorbitaltheorie vorhergesagt werden. Grundsätzlich läuft es auf die Stabilität der Elektronen in ihren Orbitalen hinaus. Ungepaarte Elektronen ohne Elektronen in vergleichbaren Orbitalen interagieren am wahrscheinlichsten mit Orbitalen anderer Atome und bilden chemische Bindungen. Ungepaarte Elektronen mit halb gefüllten entarteten Orbitalen sind stabiler, aber immer noch reaktiv. Die am wenigsten reaktiven Atome sind solche mit einer gefüllten Menge von Orbitalen (Oktett).

Die Stabilität der Elektronen in Atomen bestimmt nicht nur die Reaktivität eines Atoms, sondern auch seine Wertigkeit und die Art der chemischen Bindungen, die es bilden kann. Beispielsweise hat Kohlenstoff normalerweise eine Wertigkeit von 4 und bildet 4 Bindungen, da seine Elektronenkonfiguration im Grundzustand der Wertigkeit nach 2 s zur Hälfte gefüllt ist² 2p². Eine einfache Erklärung für die Reaktivität ist, dass sie mit der Leichtigkeit der Aufnahme oder Abgabe eines Elektrons zunimmt. Im Falle von Kohlenstoff kann ein Atom entweder 4 Elektronen aufnehmen, um sein Orbital zu füllen, oder (weniger häufig) die vier äußeren Elektronen abgeben. Während das Modell auf atomarem Verhalten basiert, gilt das gleiche Prinzip für Ionen und Verbindungen.

Die Reaktivität wird durch die physikalischen Eigenschaften einer Probe, ihre chemische Reinheit und die Anwesenheit anderer Substanzen beeinflusst. Mit anderen Worten, die Reaktivität hängt vom Kontext ab, in dem ein Stoff betrachtet wird. Zum Beispiel sind Backpulver und Wasser nicht besonders reaktiv, während Backpulver und Essig leicht unter Bildung von Kohlendioxidgas und Natriumacetat reagieren.

Die Partikelgröße beeinflusst die Reaktivität. Beispielsweise ist ein Stapel Maisstärke relativ inert. Wenn man eine direkte Flamme auf die Stärke ausübt, ist es schwierig, eine Verbrennungsreaktion auszulösen. Wenn die Maisstärke jedoch verdampft wird, um eine Partikelwolke zu bilden, entzündet sie sich leicht.

Manchmal wird der Begriff Reaktivität auch verwendet, um zu beschreiben, wie schnell ein Material reagiert oder wie schnell die chemische Reaktion abläuft. Unter dieser Definition sind die Reaktionsmöglichkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit durch das Geschwindigkeitsgesetz miteinander verknüpft:

Rate = k [A]

Wenn die Geschwindigkeit die Änderung der Molkonzentration pro Sekunde im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion ist, ist k die Reaktionskonstante (unabhängig von der Konzentration) und [A] das Produkt der Molkonzentration der Reaktanten, die in die Reaktionsreihenfolge gebracht wurden (was eins ist, in der Grundgleichung). Entsprechend der Gleichung ist der Wert für k und die Geschwindigkeit umso höher, je höher die Reaktivität der Verbindung ist.

Stabilität versus Reaktivität

Manchmal wird eine Art mit geringer Reaktivität als "stabil" bezeichnet, aber es sollte darauf geachtet werden, den Kontext klarer zu machen. Stabilität kann sich auch auf langsamen radioaktiven Zerfall oder auf den Übergang von Elektronen vom angeregten Zustand zu weniger energetischen Niveaus (wie bei Lumineszenz) beziehen. Eine nichtreaktive Spezies kann als "inert" bezeichnet werden. Die meisten inerten Spezies reagieren jedoch tatsächlich unter den richtigen Bedingungen, um Komplexe und Verbindungen (z. B. Edelgase mit höherer Atomzahl) zu bilden..