Chemische Reaktionen: Energie, Enthalpie & Geschwindigkeit

Chemische Reaktionen und Energie

Chemische Verbindungen können gespeicherte Energie auf verschiedene Weisen freisetzen:

1. Thermische Energie: Führt zu Temperaturänderungen.
2. Mechanische Energie: Verursacht Bewegung von Objekten.
3. Elektrische Energie: Stromgewinnung durch chemische Reaktionen (z. B. in Batterien).
4. Lichtenergie: Freisetzung von Licht.
5. Andere: Z. B. Schallwellen.

Energieaustausch bei chemischen Reaktionen

Eine chemische Reaktion ist eine Wechselwirkung zwischen den reagierenden Stoffen, die eine Neuordnung von chemischen Bindungen beinhaltet:

• Bindungsbruch: Erfordert Energieaufwand.
• Bindungsbildung: Führt zu einem stabileren Zustand und setzt Energie frei.

Die Gesamtenergiebilanz aus Bindungsbruch und -bildung bestimmt, ob der Prozess Energie freisetzt oder absorbiert:

• Wenn die neu gebildeten Bindungen stärker sind als die gebrochenen, wird Energie freigesetzt.
• Wenn die gebrochenen Bindungen stärker sind als die neu gebildeten, wird Energie aufgenommen.

Reaktionsenthalpie und Enthalpiediagramme

Die Reaktionswärme ist die Energie, die während einer chemischen Reaktion als Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Da die meisten Reaktionen in offenen Behältern bei konstantem atmosphärischem Druck stattfinden, spricht man von der Reaktionsenthalpie (ΔH). Die Enthalpie ist die Energie, die bei konstantem Druck als Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Je nachdem, ob Wärme abgegeben oder aufgenommen wird, unterscheidet man:

• Exotherme Reaktionen: Geben Wärme an die Umgebung ab. Der Energieinhalt der Edukte ist größer als der der Produkte (ΔH < 0).
• Endotherme Reaktionen: Nehmen Wärme aus der Umgebung auf. Der Energieinhalt der Produkte ist höher als der der Edukte (ΔH > 0).

Thermochemische Gleichungen

Eine thermochemische Gleichung enthält folgende Informationen:

• Chemische Formeln der Edukte und Produkte
• Aggregatzustände der beteiligten Stoffe unter Standardbedingungen (Druck p = 1 atm, Temperatur T = 25 °C)
• Reaktionswärme in Form der Enthalpieänderung (ΔH)

Beispiel: C(s) + O₂(g) → CO₂(g)     ΔH = -393,5 kJ/mol

Für thermochemische Gleichungen gelten zwei Grundregeln:

1. Die Enthalpieänderung ist direkt proportional zur Stoffmenge der Reaktanten oder Produkte. Sie kann zur Berechnung der aufgenommenen oder freigesetzten Wärme für beliebige Stoffmengen verwendet werden.
2. Der Enthalpiewert einer Reaktion ist betragsmäßig gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen zum Wert der Rückreaktion.

Das Hess'sche Gesetz

Aussage: Die Enthalpieänderung einer chemischen Gesamtreaktion hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab. Sie ist unabhängig vom Reaktionsweg oder von möglichen Zwischenschritten.

Nutzen: Ermöglicht die Berechnung von Reaktionsenthalpien, die experimentell schwer zugänglich sind, indem man die Gesamtreaktion als Summe anderer Reaktionen darstellt, deren Enthalpieänderungen bekannt sind.

Die Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell Reaktanten in Produkte umgewandelt werden. Sie wird definiert als die Änderung der Konzentration eines Reaktanten oder Produkts pro Zeitintervall. Sie ermöglicht die quantitative Beschreibung des zeitlichen Ablaufs einer Reaktion.

Kollisionstheorie und Aktivierungsenergie

Die Kollisionstheorie besagt, dass für eine chemische Reaktion die Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) der Reaktanten miteinander kollidieren müssen. Je häufiger diese Kollisionen stattfinden, desto höher ist die potenzielle Reaktionsgeschwindigkeit. Allerdings führt nicht jede Kollision zu einer Reaktion.

Die Aktivierungsenergie (E_A) ist die minimale Energie, die kollidierende Teilchen besitzen müssen, damit die Kollision zur Bildung von Produkten führt (wirksame Kollision). Sie stellt eine energetische Barriere dar, die überwunden werden muss.

Am höchsten Punkt dieser Energiebarriere bildet sich der aktivierte Komplex, ein sehr kurzlebiger (ca. 10⁻¹³ s) und energiereicher Übergangszustand, in dem alte Bindungen gelockert und neue Bindungen zu bilden beginnen.

Für eine wirksame Kollision müssen die Teilchen nicht nur mit ausreichender Energie (mindestens E_A) kollidieren, sondern auch mit der richtigen räumlichen Orientierung zueinander.

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

• Temperatur: Eine Temperaturerhöhung steigert die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen. Sie bewegen sich schneller, was zu häufigeren Kollisionen führt. Wichtiger noch: Ein größerer Anteil der Teilchen besitzt nun die notwendige Aktivierungsenergie. Beides erhöht die Anzahl wirksamer Kollisionen und somit die Reaktionsgeschwindigkeit.
• Konzentration der Reaktanten: Eine Erhöhung der Konzentration eines oder mehrerer Reaktanten bedeutet mehr Teilchen pro Volumeneinheit. Dies führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und damit zu einer Zunahme der Anzahl wirksamer Kollisionen pro Zeit. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.
• Kontaktfläche (Oberflächengröße): Dieser Faktor ist besonders bei heterogenen Reaktionen (Reaktanten in unterschiedlichen Phasen, z. B. fest/flüssig) relevant. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche (z. B. durch Zerkleinern eines Feststoffs) erhöht die Anzahl der Orte, an denen Teilchen kollidieren können. Eine größere Kontaktfläche führt zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit.
• Katalysatoren: Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst dauerhaft verändert zu werden. Katalysatoren, die Reaktionen verlangsamen, nennt man Inhibitoren.

  Wirkungsweise eines Katalysators

  Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie, indem er einen alternativen Reaktionsmechanismus mit einem energetisch günstigeren Übergangszustand ermöglicht. Dadurch benötigen weniger Teilchen Energie, um die Energiebarriere zu überwinden, was die Anzahl wirksamer Kollisionen pro Zeit erhöht.

  Eigenschaften von Katalysatoren:

  • Wirken bereits in kleinen Mengen.
  • Werden im Verlauf der Reaktion nicht verbraucht und liegen am Ende unverändert vor.
  • Beeinflussen nicht die Lage des chemischen Gleichgewichts (also die maximale Ausbeute), sondern nur die Geschwindigkeit, mit der es erreicht wird.
  • Sind oft spezifisch, d. h., ein bestimmter Katalysator beschleunigt nur eine bestimmte Reaktion oder einen Reaktionstyp.
  • Ändern den Reaktionsmechanismus.