Sieben chemische Reaktionen im Vergleich
- Explosion von Dynamit
- Aufblasen eines Airbags
- Neutralisation von Salzsäure
- Backen eines Kuchens
- Rosten von Eisen
- Umsetzung von Salzsäure mit Magnesium
- Umsetzung von Eisen mit Schwefel
Wenn Leute den Begriff "chemische Reaktion" hören, denken die meisten zunächst an eine Explosion (Reaktion 1 und 2), weil hier sehr viel Energie in sehr kurzer Zeit freigesetzt wird. In Wirklichkeit verlaufen die meisten chemischen Reaktionen langsamer (Reaktion 3, 6 und 7) oder sogar unmerklich langsam (Reaktion 5).
Um sich klar zu machen, dass Geschwindigkeit und Energiefreisetzung einer Reaktion nicht unbedingt im Zusammenhang stehen, hilft immer folgende Abbildung:
Welche der beiden abgebildeten Reaktionen läuft schneller ab, die linke oder die rechte?
In über 90% der Fälle bekommt man von Schülern (m/w/d) die Antwort: "Ganz klar, die rechte Reaktion läuft viel schneller ab als die linke". Wenn man dann nachfragt, warum das so ist, gibt es immer einige besonders gute Leute, die das sogar begründen können: "Bei der rechten Reaktion wird sehr viel mehr Energie freigesetzt als bei der linken, also muss sie doch schneller ablaufen".
Leider ist diese Antwort nicht ganz korrekt! Beide Reaktionen laufen (zumindest theoretisch) mit exakt der gleichen Geschwindigkeit ab. Natürlich ist die rechte Reaktion heftiger als die linke, denn die Reaktionsenergie ist sehr viel größer. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist aber gleich.
Viele Schüler verstehen dies nicht; dann hilft aber eine Betrachtung der folgenden Abbildung:
Welche der beiden abgebildeten Reaktionen läuft jetzt schneller ab, die linke oder die rechte?
Das linke Diagramm könnte beispielsweise für die Neutralisation von Salzsäure HCl mit Natronlauge NaOH stehen, das rechte für die Reaktion von Schwarzpulver.
Die richtige Antwort auf die Frage ist: Die linke Reaktion verläuft schneller. Die Reaktion von Schwarzpulver ist zwar sehr exotherm, und wenn die Reaktion erst einmal gestartet ist, verläuft sie auch ziemlich heftig. Aber es dauert einige Sekunden, bis man die ersten Funken sieht, wenn man die Flamme des Bunsenbrenners auf den Schwarzpulverhaufen richtet. Und das Abbrennen des Schwarzpulverhaufens dauert auch ein paar Sekunden.
Die Neutralisation der Säure beginnt dagegen sofort mit dem Hineinschütten der Lauge in die Säure; man muss hier nicht erst ein oder zwei Sekunden warten.
Der Schlüsselbegriff, den wir zur Erklärung dieses Phänomens brauchen, heißt Aktivierungsenergie. In der Zeichnung oben stehen die beiden roten Pfeile für diese Aktivierungsenergie.
Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt von ihrer Aktivierungsenergie ab. Je geringer die Aktivierungsenergie, desto schneller verläuft die Reaktion.
Manchmal liest man in der Fachliteratur auch von einem "Energieberg", der überwunden werden muss. Je höher dieser Energieberg (also die Aktivierungsenergie), desto langsamer verläuft die chemische Reaktion.
Nachdem wir diesen wichtigen Zusammenhang hergestellt haben, stellen sich drei wichtige Fragen:
- Was versteht man genau unter dem Begriff Reaktionsgeschwindigkeit?
- Von welchen Faktoren hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nun genau ab?
- Wie kann man die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion möglichst genau messen?