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Chemiker stellen chemische Reaktionen durch chemische Gleichungen dar, die nichts anderes sind als die symbolische Darstellung dessen, was tatsächlich während der Reaktion passiert. In einer chemischen Gleichung finden wir links die Reaktanten, rechts die Produkte und dazwischen den Reaktionspfeil.
Ein Reaktionspfeil ist ein Symbol, das den Veränderungsprozess darstellt, der während einer chemischen Reaktion auftritt , und einige wichtige Merkmale davon zeigt . Sie können feststellen, ob die Reaktion reversibel ist oder nicht, ob sie im Gleichgewicht ist, ob es sich um einen Resonanzprozess handelt und mehr. Dies zeigt, dass ein Reaktionspfeil viel mehr ist als nur ein Pfeil, der von Reaktanten zu Produkten zeigt, daher ist es wichtig zu lernen, subtile Unterschiede in der Form zu erkennen, damit Sie sie richtig interpretieren können.
Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die meisten in der Chemie verwendeten Pfeile mit ihrer jeweiligen Bedeutung.
01 – Der einfache Reaktionspfeil
Dies ist der einfachste Reaktionspfeil. Es besteht lediglich aus einem einfachen Pfeil, der nach rechts zeigt, und zeigt das Auftreten einer chemischen Reaktion an, die Reaktanten irreversibel in Produkte umwandelt.
Dieser Pfeil kann je nach Bedarf auch von rechts nach links oder in verschiedene Richtungen zeigen, stellt jedoch immer eine Reaktion dar, bei der alles, was sich auf der Schwanzseite befindet, zu dem wird, was an seiner Spitze erscheint.
02 – Die Balancepfeile
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um anzuzeigen, dass eine chemische Reaktion reversibel ist, dh dass sie in beide Richtungen ablaufen kann. Aufgrund der Gesetze der chemischen Kinetik kann jede reversible chemische Reaktion schließlich ein Gleichgewicht erreichen, in dem sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Aus diesem Grund werden reversible chemische Reaktionen oft als chemische Gleichgewichte bezeichnet.
Van’t Hoffs Doppelpfeil
Die logischste Art, eine chemische Reaktion darzustellen, die in beide Richtungen ablaufen kann, besteht darin, zwei einfache Reaktionspfeile zu kombinieren, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Dieser Pfeil wird Doppelpfeil genannt, und der erste, der ihn verwendete, um die Reversibilität chemischer Reaktionen darzustellen, war Jacobus Henricus van ‚t Hoff im Jahr 1884.
Der ausgewogene dynamische Balance-Pfeil
H. Marshal modifizierte 1902 den Doppelpfeil von van’t Hoff, um seine Schreibweise zu vereinfachen. Anstatt zwei einzelne Pfeile buchstäblich übereinander zu legen, ersetzte er sie durch zwei halbe Pfeile oder Pfeile mit halben Spitzen. Diese Art der Darstellung des chemischen Gleichgewichts ist heute viel gebräuchlicher.
Wenn beide Halbpfeile die gleiche Länge haben, sagt man, dass sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsreaktion vergleichbare Geschwindigkeiten haben; daher sind im Gleichgewichtszustand auch die Konzentrationen von Edukten und Produkten vergleichbar. Man kann in diesem Fall von einer „ausgeglichenen“ Bilanz sprechen.
Der dynamische Gleichgewichtspfeil verschob sich in Richtung der Produkte
Eine Variante des obigen Gleichgewichtspfeils besteht darin, dass ein Halbpfeil länger als der andere ist. Dies zeigt an, dass eine der beiden Reaktionen schneller ist als die andere, sodass das Gleichgewicht eine der beiden Seiten der Gleichung bevorzugt.
Wenn der obere, nach rechts weisende Pfeil länger ist als der untere, liegt ein Gleichgewichtspfeil vor, der zu den Produkten hin verschoben ist oder die Produkte begünstigt, da die Hinreaktion schneller ist als die Rückreaktion.
Dies weist darauf hin, dass die Konzentration der Produkte im Gleichgewicht erheblich größer ist als die der Reaktanten.
Der Pfeil des dynamischen Gleichgewichts verschob sich in Richtung der Reaktanten
Der in Richtung der Reaktanten verschobene Gleichgewichtspfeil ist das Gegenteil des vorherigen Pfeils. In diesem Fall ist die Rückreaktion schneller als die Hinreaktion, und das Gleichgewicht kommt den Reaktanten zugute.
03 – Der Pfeil der Resonanz
Der Resonanzpfeil besteht aus einem Doppelpfeil, obwohl er manchmal auch als Pfeil mit zwei halben Köpfen auf gegenüberliegenden Seiten dargestellt wird, wie im Bild gezeigt.
Diese Art von Pfeil stellt selbst keine chemische Reaktion dar, sondern den Prozess der Delokalisierung und internen Bewegung von Pi-Elektronen in einem Molekül, der eine Lewis-Struktur in eine andere umwandelt. Diese Art von Prozess wird Resonanz genannt (daher der Name dieses Pfeils) und ist ein vollständig umkehrbarer Prozess, weshalb der Pfeil zwei Spitzen hat.
04 – Der unbekannte Reaktionspfeil
In bestimmten Situationen kennen Chemiker die Ausgangsstoffe und Produkte einer Reaktion, wissen aber nicht, welche Art von Reaktion tatsächlich abläuft oder ob es sich wirklich um eine oder mehrere Folgereaktionen handelt. Um fehlende Kenntnisse über die besonderen Eigenschaften einer Reaktion oder allgemein die Art und Weise, wie Reaktanten in Produkte umgewandelt werden, anzuzeigen, wird ein gepunkteter Pfeil verwendet.
Dieser Pfeil wird auch verwendet, wenn Sie eine bestimmte Reaktion als Teil eines Reaktionsmechanismus vorschlagen, aber nicht wissen, ob dies tatsächlich die Reaktion ist, die auftritt. Das heißt, Schritte vorzuschlagen, für die es keine endgültigen oder schlüssigen Beweise gibt.
05 – Der Pfeil der Retrosynthese
Der Retrosynthesepfeil wird häufig in der synthetischen organischen Chemie verwendet und zeigt die unmittelbare Herkunft einer Substanz aus einer anderen an. Dieser Pfeil wird als „kommt von“ gelesen, also würde die obige Reaktion „A kommt von B“ lauten, was darauf hinweist, dass bei einem Syntheseweg Substanz B die Verbindung oder Substanz ist, die unmittelbar vor der Synthese von A kommt.
Es wird Retrosynthesepfeil genannt, weil in der synthetischen organischen Chemie, wenn Sie eine bestimmte Verbindung synthetisieren möchten, die Analyse des Wegs vom Endprodukt ausgeht, das Sie erhalten möchten. Somit werden die vorherigen Schritte betrachtet, die von hinten (dem gewünschten Ende) nach vorne (den anfänglichen Reagenzien der Synthese) durchgeführt werden müssen.
Es ist, als ob Sie von Stadt B nach Stadt A gehen wollten, aber die Karte wird gezeichnet, indem Sie die Route vom Ziel A zum Ausgangspunkt B verfolgen.
06 – Der Pfeil ohne Reaktion
Schließlich sind Chemiker nicht nur an Pfeilen interessiert, die das Vorhandensein verschiedener Arten von Reaktionen anzeigen, sondern auch daran, Reaktionen darzustellen, die unter bestimmten Bedingungen nicht oder einfach nie auftreten. Für diese Fälle werden die Pfeile für fehlende Reaktion oder keine Reaktion verwendet.
Diese Pfeile können als Reaktanten interpretiert werden, die nicht miteinander reagieren, oder als Reaktanten, die solche Produkte nicht erzeugen. Beispielsweise können primäre Alkohole zu Aldehyden und Carbonsäuren oxidiert werden, tertiäre Alkohole jedoch nicht, egal wie stark das Oxidationsmittel ist. Wenn Sie diese letzte Tatsache betonen möchten, würden Sie den Nicht-Reaktionspfeil verwenden, um anzuzeigen, dass ein tertiärer Alkohol nicht oxidiert.
07 – Pfeile der Elektronenbewegungen
Neben den Reaktionspfeilen selbst gibt es noch weitere Pfeile, die von Chemikern auch häufig in chemischen Gleichungen verwendet werden, insbesondere wenn es um Reaktionsmechanismen geht. Dies ist bei gekrümmten Pfeilen der Fall.
Gekrümmte Pfeile werden verwendet, um die Bewegung von Elektronen während einer chemischen Reaktion deutlich anzuzeigen. In diesen Fällen beginnt der Pfeilschwanz an der Stelle, an der sich das oder die an dem Prozess beteiligten Elektron(en) befinden, sei es eine chemische Bindung, ein ungepaartes Elektron in einem freien Radikal oder ein ungeteiltes Elektronenpaar. Andererseits zeigt die Pfeilspitze das Atom oder den Ort an, an dem sich das/die Elektron(en) bewegen.
Es gibt zwei Arten von gebogenen Pfeilen:
Pfeil mit gebogenem Kopf oder Vollspitze
Wenn ein gekrümmter Pfeil eine volle Spitze hat, zeigt dies an, dass sich ein Elektronenpaar bewegt. Dieses Elektronenpaar kann aus einem einsamen Elektronenpaar bestehen, wie dem von Element A in der obigen Abbildung, das das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe angreift.
Andererseits kann das Elektronenpaar auch aus einer kovalenten Bindung stammen, wie die Pi-Elektronen der Doppelbindung der Carbonylgruppe rechts im vorherigen Bild, die zum Sauerstoffatom übergehen.
Halbspitz gebogener Pfeil oder Angelhaken
Halbspitzige gekrümmte Pfeile, auch Hakenpfeile genannt, zeigen die Bewegung eines einzelnen Elektrons an. Diese Art von Pfeil wird verwendet, um das homolytische Aufbrechen kovalenter Bindungen sowie den Angriff freier Radikale auf verschiedene Moleküle darzustellen.
08 – Spezieller vertikaler Pfeil
Es gibt eine Reihe vertikaler Pfeile, die in der Chemie gebräuchlich sind. Drei von ihnen repräsentieren bestimmte physikalische Veränderungsprozesse, während die anderen verwendet werden, um Elektronen darzustellen, die sich auf bestimmten Energieniveaus befinden.
der Gasfreigabepfeil
Wenn eine chemische Reaktion, die in flüssiger, wässriger oder fester Phase abläuft, ein Gas als Produkt hat, kann dies in vielen Fällen direkt beobachtet werden, entweder durch die Bildung von Blasen innerhalb einer Flüssigkeit oder durch das Auftreten eines farbigen Gases.
Obwohl es oft unnötig ist, weil wir bei der Angabe des physikalischen Zustands des Stoffes bereits wissen, dass es sich um ein Gas handelt, wird manchmal das Symbol oder die chemische Formel des Gases von einem vertikalen Pfeil nach oben begleitet, der seine Freisetzung aus dem Reaktionsmedium anzeigt.
Der Niederschlagspfeil
Der Niederschlagspfeil ist ein vertikaler Pfeil, der nach unten zeigt, was bedeutet, dass bei den meisten Niederschlägen die sich bildenden Feststoffe dichter sind als das Lösungsmittel und auf den Boden sinken (also nach unten driften).
der Rückflusspfeil
Reflux ist ein experimentelles Verfahren, bei dem eine Flüssigkeit oder Lösung in einem mit einem Kondensator ausgestatteten Behälter zum Sieden erhitzt wird. Dadurch verdampft das Lösungsmittel (Vorgang dargestellt durch den Pfeil nach oben) und kondensiert dann und fällt wieder nach unten (Vorgang dargestellt durch den Pfeil nach unten).
Pfeile zur Darstellung von Elektronen
Schließlich ist eine weitere übliche Verwendung von Pfeilen in der Chemie die Darstellung von Elektronen zusammen mit einer ihrer Quantenzahlen , dem Elektronenspin. Der Spin eines Elektrons kann nur zwei Werte haben, nämlich +1/2 und -1/2, und diese werden normalerweise durch halbköpfige Pfeile dargestellt, die nach oben bzw. nach unten zeigen. Aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips können sich zwei Elektronen nicht im selben Elektronenorbital befinden und denselben Spin haben, daher haben Elektronenpaare im selben Orbital immer entgegengesetzte Spins und werden als ein Paar vertikaler Pfeile mit einer mittleren Spitze dargestellt, die in die entgegengesetzte Richtung zeigt Richtungen.
Zusätzlich zu diesen Beispielen gibt es einige andere Pfeile mit sehr spezifischen und weniger häufigen Verwendungen, aber diese sind zweifellos die am häufigsten verwendeten. Das Verständnis seiner Bedeutung ermöglicht eine bessere Interpretation aller Informationen, die in etwas so scheinbar Einfachem wie einer chemischen Gleichung kodiert sind.
Verweise
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