Energie bei chemischen Reaktionen

Wann laufen Reaktionen ab?

Woran kann man eigentlich im Voraus erkennen, ob chemische Reaktion ablaufen oder nicht? Und welche Bedingungen müssen vorherrschen, damit eine chemische Reaktion stattfindet?

Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir uns mit den Grundlagen der Thermodynamik beschäftigen, die sich mit der Energie und Energiezuständen befasst. Am einfachsten veranschaulicht man sich die Prinzipien der Thermodynamik an einem unaufgeräumten Zimmer.

Das unaufgeräumte Zimmer und die chemische Reaktion

Wir stellen uns ein durchschnittliches Jugendzimmer vor, in dem die normale Unordnung herrscht. Wäsche, Bücher, CDs und Schulmaterial liegen verstreut auf dem Boden, zumindest so lange, bis jemand aufräumt. Dieser Jemand muss dann Energie aufwenden, um aufzuräumen, also die Wäsche in den Schrank zu legen, die Bücher und die CDs ins Regal und das Schulmaterial auf den Schreibtisch. Die aufgewendete Energie nennen wir Reaktionswärme oder auch Reaktionsenthalpie $\Delta H$ . Durch das Aufräumen ist diese Energie nicht verloren gegangen, sondern steckt nun in der Ordnung. Dies ist im ersten Hauptsatz der Thermodynamik festgehalten. Energie kann nicht verloren gehen, sie kann nur umgewandelt werden.

In der Chemie gilt das Gleiche; hier wird die Anordnung einzelner Atome geändert. Dabei wird ebenfalls Energie benötigt, wobei die Energie den Ausgangsstoffen (Edukten) zugeführt werden kann (ähnlich wie in unserem Beispiel, man nennt diese Reaktion auch endotherm) oder entzogen (diese Reaktion nennt man exotherm).

Aufräumen führt zu mehr Unordnung

Moment! Wieso sollte das Aufräumen zu einer größeren Unordnung beitragen? Das hört sich zunächst paradox an. Schließlich ist nun alles geordnet und an seinem Platz. Aber: Die Person, die aufräumt, trägt unbewusst zu einer Vergrößerung der Unordnung bei. Die Energie, die er zum Aufräumen benötigt, muss er durch das Verbrennen von Zucker gewinnen. Zucker ist ein geordnetes Molekül, das beim Verbrennen zu einem ungeordneten Gas ($CO_2$) und Wasser wird. Trotz der gewonnenen Ordnung im Zimmer nimmt also insgesamt gesehen die Unordnung zu. Dieser Sachverhalt ist im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik festgehalten und kann vereinfacht wie folgt wiedergegeben werden: Die Unordnung (oder Entropie $\Delta S$) nimmt zu. Diese Feststellung ist universell gültig.

Die Gibbs-Helmholtzsche Gleichung

Die Gibbs-Helmholtzsche Gleichung fasst die gerade besprochenen Hauptsätze der Thermodynamik zusammen und setzt die Enthalpie und Entropie in einen Zusammenhang. Unter Berücksichtigung der Temperatur kann man mit dieser Gleichung nun bestimmen, ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder erzwungen werden muss.