Metastabiler Zustand

Der Diamant gilt als eines der härtesten Materialien unseres Planeten. Mit seiner Hilfe kann im großen Stil durch Beton, Stahl und andere Baumaterialien geschnitten werden. Aber auch für die Präzisionsfertigung medizinischer Instrumente wird er gern verwendet. Und mittlerweile hat auch die Halbleiterindustrie das Potenzial des Kohlenstoffkristalls entdeckt. Der Verbrauch übersteigt sogar das natürliche Vorkommen, sodass Diamanten synthetisch hergestellt werden müssen, um den Bedarf zu decken.

Umso verwunderlicher ist es, dass es sich beim Diamanten eben nicht um den stabilen Zustand des Kohlenstoffs handelt. Aus thermodynamischer Sicht ist er tatsächlich weniger stabil als Grafit. Denn der Diamant ist der metastabile Zustand von kristallinem Kohlenstoff.

Du hast richtig gehört. Grafit, also Deine spröde, schmierige Beistiftmine ist energetisch stabiler als ein Diamant. Dabei würdest Du intuitiv vielleicht vom Gegenteil ausgehen, nicht wahr?

Warum gibt es Diamanten also überhaupt? Wie konnten sie entstehen? Und was genau ist ein metastabiler Zustand? Auf diese Fragen wirst Du hier Antworten finden.

Metastabiler Zustand – Einfache Erklärung

Ein metastabiler Zustand liegt vor, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit einer Gleichgewichtsreaktion nahezu null ist. Das kann der Fall sein, wenn die Aktivierungsenergie sehr groß ist, sodass praktisch keine Reaktion stattfindet. Der Grund dafür ist, dass unter Normalbedingungen nicht genug Energie aufgebracht wird.

Wenn hingegen genug Energie aufgebracht und die Aktivierungsenergie überwunden wird, verschiebt sich das Gleichgewicht zum stabilen Zustand. Die Reaktion läuft also unter Freisetzung von Energie ab.

Ein interessantes Beispiel für einen metastabilen Zustand ist das System Holz und Sauerstoff bei Raumtemperatur. Rein thermodynamisch sollte das Holz spontan anfangen zu verbrennen, sodass der darin gebundene Kohlenstoff zusammen mit dem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird. Da die Aktivierungsenergie aber sehr hoch ist, muss Energie in Form eines Feuers (Wärme) in das System eingebracht werden. Schön, dass uns die Natur hier also mitentscheiden lässt!

Metastabile Systeme werden auch als kinetisch gehemmt bezeichnet. Das bedeutet, dass Du ein solches System theoretisch in den stabilen Gleichgewichtszustand bringen könntest, wenn Du genug Energie einbringst, also indem Du die Temperatur oder den Druck erhöhst. Diesen Vorgang nennt man auch Aktivierung. Ein chemisch eleganter Weg der Aktivierung wäre übrigens die Nutzung eines Katalysators, der die Aktivierungsenergie herabsetzt.

Viele chemische Verbindungen sind bei normalen Bedingungen nur deswegen existent, weil sie metastabil sind. Dass Wasser bei Raumtemperatur existiert, ist aus chemischer Sicht ziemlich logisch. Schließlich ist es für die Atome besser, eine Bindung einzugehen und einen energetisch stabileren Zustand zu erreichen. Bei der Kombination aus Sauerstoff und Stickstoff sieht das allerdings schon wieder anders aus.

Metastabiler Zustand – Im Energiediagramm erkennen

Ein metastabiler Zustand lässt sich in einem Energiediagramm leicht erkennen. Ist die Aktivierungsenergie besonders hoch, findet bei manchen Gleichgewichtsreaktionen unter Normaltemperatur kaum eine Umwandlung statt. In einem einfachen Energiediagramm mit zwei Tälern stellt das energetisch höhere Tal den metastabilen Zustand dar.

Damit eine Umwandlung stattfinden kann, muss der Hügel bezwungen werden. Dabei handelt es sich also um eine Energiebarriere, die für eine Reaktion überwunden werden muss. Der höchste Punkt dieser Barriere stellt die Aktivierungsenergie dar.

Bei manchen Reaktionen kann es einen oder mehrere Übergangszustände geben, die energetisch irgendwo auf dem Hügel liegen und sehr kurzlebig sind. Diese Unterscheidung ist wichtig, da es sich beim Übergangszustand um keinen stabilen Zustand handelt. Er kann nicht isoliert werden und ist damit nur während der Reaktion für eine kurze Zeit existent.

Das energetisch günstigere, also tiefer liegende Tal, ist der stabile Zustand einer Gleichgewichtsreaktion. Liegt bei einer thermodynamischen Gleichgewichtsreaktion eine Metastabilität vor, kannst Du die Energiebarriere überwinden, indem Du genug Energie einbringst, das System veränderst oder für einen anderen Reaktionsweg sorgst. Das geht mit folgenden Mitteln:

• Erwärmen:
  • Durch die höhere Temperatur erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße zwischen den Atomen.
• UV-Licht:
  • Hochenergetisches UV-Licht bringt viele Reaktionen überhaupt erst in Gang.
• Rühren:
  • Auch durch einfaches Rühren erhöhst Du die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße und damit die Reaktivität.
• Kristallkeime:
  • Mit Kristallkeimen (also kleinen, wachstumsfähigen Kristallen) kannst Du die Aktivierungsenergie für die Kristallbildung überwinden, weil sich Kristalle eines stabilen Zustands trotz Energiegewinn nur sehr schwer von allein in einer metastabilen Phase bilden.
• Katalysator:
  • Damit verringert sich die Aktivierungsenergie häufig sehr drastisch, weil der Reaktionsweg anders ist.

Metastabiler Zustand – Beispiele

Diamant und Grafit

Der Diamant ist die bei Normalbedingungen metastabile Modifikation des Kohlenstoffs. Durch seine Kristallstruktur ist er im Vergleich zu anderen Materialien besonders stabil. Trotzdem ist Grafit – ebenfalls eine natürlich vorkommende Modifikation des Kohlenstoffs – thermodynamisch stabiler. Die Umwandlung vom Diamanten zum Grafit ist eine Gleichgewichtsreaktion. Rein theoretisch würden Diamanten also zu Grafit werden, sofern genug Zeit verstreicht.

Wenn die Aktivierungsenergie dieser Gleichgewichtsreaktion so hoch ist, warum kommen Diamanten dann eigentlich natürlich vor?

Der Grund dafür sind der hohe Druck und die hohen Temperaturen, dem der Kohlenstoff tief unter der Erdkruste über Millionen von Jahren ausgesetzt war. Vulkanausbrüche haben die Rohdiamanten dann nach oben an die Erdoberfläche transportiert.

Zinnpest

Neben dem Diamanten gibt es noch weitere Beispiele für metastabile Feststoffe. Die kristalline Form von Zinn, β-Zinn, wird zum Beispiel unterhalb von 13 °C metastabil und geht in die Modifikation α-Zinn über. Über Monate hinweg zerfällt das Metall auf diese Weise langsam zu einem Pulver. Dieser unschöne Vorgang wird auch Zinnpest genannt.