Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie, oft mit EA abgekürzt, ist eine energetische Barriere oder eine Energiedifferenz, die bei einer chemischen Reaktion von den Reaktionspartnern überwunden werden muss. Die Aktivierungsenergie muss aufgewendet werden, damit die Ausgangsstoffe den Übergangszustand der Reaktion erreichen und überhaupt reagieren können. Nach Ablauf der Reaktion steht sie meist wieder zur Verfügung.

Allgemein kann gesagt werden, dass die Reaktion umso schneller verläuft, je niedriger die Aktivierungsenergie ist. Eine hohe Aktivierungsenergie sorgt in der Regel für die Verlangsamung von chemischen Reaktionen. Sie kann den Eintritt von chemischen Reaktionen teilweise auch komplett hemmen und verhindern, da die Einstellung eines (thermodynamischen) chemischen Gleichgewichts verzögert wird.

Geprägt wurde der Begriff der Aktivierungsenergie im Jahr 1889 von Svante Arrhenius, der ein schwedischer Chemiker und Physiker war. Nach ihm ist die Aktivierungsenergie eine empirische Größe, die sich durch die hohe Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeit von vielen chemischen Reaktionen ermitteln lässt.

Merke dir unbedingt, dass die Aktivierungsenergie entgegen häufiger Behauptungen nicht die Energie ist, die einer endothermen Reaktion von außen zugeführt werden muss und auch kein unmittelbares Maß für die absolute Reaktionsgeschwindigkeit ist.

Wie funktioniert die Aktivierungsenergie?

Nach der Vorstellung der physikalischen Chemie muss im Verlauf einer chemischen Reaktion eine Umgruppierung der Atome aus der Anordnung der Reaktanten in die der Produkte stattfinden. In diesem Prozess werden bisherige Bindungen aufgebrochen und neue Bindungen geknüpft. Die Reaktanten durchlaufen dabei für die Umwandlung in deren Produkte einen aktivierten Zustand, der meist Übergangszustand genannt wird. Die Bildung dieses Zustands erfordert eine bestimmte Energie, nämlich die Aktivierungsenergie. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt also bei konstanter Temperatur lediglich von der Energiedifferenz zwischen Reaktanten und dem Übergangszustand ab.

via wikipedia.org

In dieser Abbildung stellt das Kurvenmaximum den eben erwähnten Übergangszustand dar. Es wird aus dieser Abbildung auch deutlich, welche Rolle ein Katalysator in einer chemischen Reaktion spielt. Er kann die Aktivierungsenergie herabsetzen und so für einen schnelleren Eintritt der Reaktion sorgen.

Der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitskonstanten, der Aktivierungsenergie und der thermodynamischen Temperatur kann in vielen Fällen durch die sogenannte Arrhenius-Gleichung, benannt nach Svante Arrhenius, beschrieben werden. Sind zwei Geschwindigkeitskonstanten einer Reaktion bei zwei Temperaturen bekannt, lässt sich damit auch die Aktivierungsenergie berechnen.

Bei einigen Reaktionen folgt die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante allerdings nicht der Arrhenius-Gleichung. Beispiele dafür sind Reaktionen ohne Aktivierungsenergie, explosionsartige Reaktionen oder auch Reaktionen mit vorgelagerten Gleichgewichten. Tatsächlich beschreibt das Modell von Arrhenius die Vorgänge bei einer chemischen Reaktion nicht vollständig, denn gewisse Faktoren des Modells sind empirische Größen, die zum Beispiel von der Temperatur abhängen.

Beispiele für die Wirkung der Aktivierungsenergie

Im Energiediagramm unten ist die Oxidation von Methan zu erkennen. Die Aktivierungsenergie EA dient zur Spaltung der kovalenten Bindungen zwischen den Atomen des Methans sowie zwischen den Sauerstoff-Atomen. Dafür ist ein hoher Betrag von 2.648 kJ/mol Methan und Sauerstoff notwendig, ein Energiebetrag, der bei Zimmertemperatur so gut wie nicht aufgebracht werden kann.

via u-helmich.de

Wenn alle Bindungen aufgebrochen sind, entstehen während der Reaktion neue, stabilere Bindungen. Deshalb haben die Endprodukte Wasser und Kohlendioxid aus diesem Beispiel eine niedrigere Energie als die Ausgangsstoffe Methan und Sauerstoff. Bei der Reaktion wird diese Energiedifferenz als Reaktionsenergie freigesetzt.

Hier einige weitere Beispiele, die dir knapp zeigen, auf welche Arten und Weisen Energie zur Anregung dienen kann:

• Eine Knallerbse explodiert durch den Schlag, der beim Aufprall auf den Boden entsteht.

• Beim Mischen eines explosionsgefährdeten Gemisches aus rotem Phosphor und Kaliumchlorat führt die Reibung, die dabei entsteht, zu einer schnellen Explosion.

• Ein Gemisch aus Chlorgas und Wasserstoff lässt sich mit Hilfe eines starken Lichtblitzes zur Explosion bringen.

Es wird also deutlich, dass die Energie nicht nur in Form von Wärme, sondern beispielsweise auch in Form von Druck, Reibung oder Licht zur Anregung der chemischen Reaktion dienen kann.

Bedeutung der Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie ist sehr wichtig für den Ablauf einer chemischen Reaktion, denn ohne die Überwindung der Energiebarriere kann eine Reaktion nicht immer erfolgen. Besonders bei wichtigen Reaktionen in der chemischen Industrie wäre das fatal. Deswegen kommen häufig Katalysatoren zum Einsatz, die die Aktivierungsenergie beeinflussen können.

Aktivierungsenergie - Alles Wichtige auf einen Blick!

Damit du dir die wichtigsten Aspekte der Aktivierungsenergie gut merken kannst, bekommst du hier einen Überblick über alles, was du brauchst:

• Die Aktivierungsenergie ist eine energetische Barriere oder eine Energiedifferenz, die bei einer chemischen Reaktion von allen Reaktionspartnern überwunden werden muss, damit es zum sogenannten Übergangszustand der Reaktionspartner kommt.

• Dieser Übergangszustand ist wiederum wichtig, damit eine Umgruppierung der Atome aus der Anordnung der Reaktanten zu den Produkten stattfindet.

• Die Überwindung der Aktivierungsenergie ist oftmals von großer Bedeutung, denn wird sie nicht überwunden, kann eine Reaktion häufig nicht erfolgen.

• Die Aktivierungsenergie ist allerdings nicht die Energie, die einer endothermen Reaktion von außen zugeführt werden muss und auch kein unmittelbares Maß für die absolute Reaktionsgeschwindigkeit.

Mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung lässt sich häufig der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitskonstanten, der Aktivierungsenergie und der thermodynamischen Temperatur ermitteln.