Grundlagen chemischer Reaktionen

Die Zufuhr von Aktivierungsenergie führt zum Ablauf einer chemischen Reaktion. Im Laufe der Reaktion können Energieumsätze, oftmals durch Freisetzung oder Verbrauch von Wärmeenergie, beobachtet werden. Die Geschwindigkeit einer Reaktion kann durch Temperatur, Druck oder einem Katalysator beeinflusst werden.

Arbeitsmittel

Die Energie macht’s!

Bei allen chemischen Reaktionen finden Energieumwandlungen statt. Oftmals ist bei einer Reaktion frei werdende Energie in Form von Wärme zu beobachten. Wärmeenergie nutzen wir beispielsweise beim Heizen oder Kochen. Daneben setzen manche Reaktion Energie in Form von Geräuschen (erinnere dich an die Knallgasreaktion) oder in Form von Licht (beispielsweise bei Kerzen oder einem Feuerwerk) frei.

Die bei Verbrennungsreaktionen entstehende Hitze nutzen wir beim Zubereiten von Speisen.
Bei Feuerwerken werden Reaktionen genutzt, die u. a. Energie in Form von Licht freisetzen.

Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, muss Aktivierungsenergie überwunden werden.

Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die notwendig ist, damit eine chemische Reaktion abläuft.

Die Aktivierungsenergie kann man damit vergleichen, dass beim Start einer Schlittenfahrt die Haftreibung überwunden werden muss, z. B. durch Antauchen mit den Füßen, um den Berg hinunter gleiten zu können. Eine brennende Kerze setzt Energie in Form von Wärme und Licht frei, davor muss man sie aber anzünden (also Aktivierungsenergie zuführen). Reibt man einen Streichholzkopf an der Reibefläche, werden durch die Reibungsenergie chemische Reaktionen in Gang gesetzt. Diese führen zum Entzünden des Streichholzes.

Abbildung von einem Kind, dass Schlitten fährt
Beim Start der Abfahrt ist Aktivierungsenergie notwendig.
Abbildung von einer Kerze, die angezündet wird.
Die Verbrennungsreaktion wird beim Anzünden aktiviert.
Abbildung von einem Streichholz, das angezündet wird.
Auch das Entzünden eines Streichholzes benötigt Aktivierungsenergie.

Die benötigte Energiezufuhr hängt von dem Energieberg der Aktivierungsenergie ab.

Folgendes Experiment veranschaulicht die Aktivierungsenergie.

Reaktionen wie Verbrennungen benötigen zwar Aktivierungsenergie, setzen dann aber im Laufe der Reaktion Wärme frei. Man spricht dabei von exothermen Reaktionen. Es gibt aber auch endotherme Reaktionen, die für den Ablauf (nicht nur für die Aktivierung) Energie benötigen. Endotherme Reaktionen spielen in der chemischen Industrie eine wichtige Rolle (z. B. wird zur Gewinnung von Eisen aus Eisenoxid hohe Temperaturen benötigt). Sie begegnen dir auch im Alltag: beispielsweise musst du beim Kochen Energie zuführen, damit sich Lebensmittel verändern (z. B. beim Braten eines Eis).

Auch bei Lösungsvorgängen gibt es einen Energieumsatz. Probiere es aus!

Reaktionsgeschwindigkeit

Reaktionen verlaufen unterschiedlich schnell. Verbrennungsreaktionen sind sehr schnelle Reaktionen, das Rosten von Eisen und das Verwittern von Gestein hingegen verlaufen langsam.

Abbildung von einer brennenden Zeitung.
Verbrennungsreaktionen verlaufen sehr schnell.
Abbildung von einer verrosteten Eisenkette.
Rosten ist eine vergleichsweise langsame Reaktion.
Abbildung von verwittertem Gestein.
Gestein verwittert über einen langen Zeitraum.

Eine Reaktion zwischen Teilchen kann nur erfolgen, wenn diese wirksam zusammenstoßen. Durch die Veränderung von Druck, Temperatur und der Konzentration der beteiligten Substanzen kann man die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Probiere es selbst aus!

Je öfter Teilchen wirksam aufeinandertreffen, umso schneller werden Endstoffe gebildet. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann daher erhöht werden durch…

  • Temperaturerhöhung, da die Teilchen sich schneller bewegen.
  • Druckerhöhung, da sich dadurch die Konzentration der Teilchen erhöht (gleiche Teilchenzahl in einem geringeren Volumen).
  • Zugabe von Ausgangsstoffen, da sich dadurch die Konzentration der Teilchen erhöht.

Die Voraussetzung für den Ablauf einer chemischen Reaktion ist das Zusammentreffen der beteiligten Teilchen. Liegt eine (oder mehrere Substanzen) als Feststoff vor, spielt daher auch die Oberfläche eine wichtige Rolle. Feinkörnige Strukturen haben eine größere Oberfläche, an der es zu Reaktionen kommen kann.

Je feinkörniger der Feststoff, umso größer die Oberfläche. Hier reagiert Salzsäure (HCl) mit Marmor (CaCO3). Dabei entsteht unter anderem Kohlenstoffdioxid (CO2), was als Bläschen sichtbar wird. Je mehr Bläschen sich bilden, umso schneller verläuft die Reaktion.

Katalysatoren sind eine weitere Möglichkeit, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Sie finden in unserem Körper, im Labor und in der Technik Anwendung. Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab und beschleunigen damit den Ablauf einer Reaktion. Katalysatoren werden bei der Reaktion nicht verbraucht.

Diagramm Aktivierungsenergie mit und ohne Katalysator
Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab.

In unserem Körper finden sich Biokatalysatoren (Enzyme), die eine Vielzahl an Vorgängen ermöglichen. Beispielsweise ermöglichen Verdauungsenzyme die Zerkleinerung von Nahrung. Die Nahrungsbestandteile können dadurch in den Blutkreislauf aufgenommen und an ihren Wirkort transportiert werden. Mit folgendem Experiment kannst du Enzyme in Kartoffeln kennenlernen!

Der Begriff Katalysator ist dir vielleicht von Autos bekannt. Der Abgaskatalysator (mit einer Schicht aus Platin, Palladium oder Rhodium) ermöglicht die Umwandlung von Giftstoffen (wie Kohlenstoffmonoxid, CO und Stickstoffmonoxid, NO), die bei der Verbrennung von Benzin entstehen können. Dadurch wird der Ausstoß an Schadstoffen verringert.

Abgaskatalysator: Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (z. B. C8H18, Octan) werden mit Hilfe der katalytischen Schicht (z. B. aus Platin) zu Substanzen wie Wasser (H2O), Stickstoff (N2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) umgewandelt.
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