9. Kennzeichen der chemischen Reaktion
Änderung der stofflichen Eigenschaften
Erwärmt man Iod oder Eis, so ändert sich nur der Aggregatzustand. Kühlt man ab, erstarrt das Wasser wieder zu Eis. Aus den violetten Ioddämpfen entstehen durch Resublimation wieder Kristalle. In beiden Fällen sind die Stoffeigenschaften erhalten geblieben, daher handelt es sich um keine chemischen Reaktionen.
Anders verhält es sich, wenn man Ammoniumdichromat wie in Versuch 2 beschrieben erhitzt. Unter einer Feuererscheinung entsteht aus den wasserlöslichen, orangefarbenen Kristallen, ein grünes, wasserunlösliches Pulver. Dass nun ein neuer Stoff entstanden ist, erkennt man an den neu entstandenen Eigenschaften und deshalb ist dieser Vorgang ist eine chemische Reaktion.
Als Grundtypen chemischer Reaktionen kennt man die Analyse und die Synthese. In unserer Umgebung laufen chemische Reaktionen ständig ab.
Chemische Reaktion und Energiebeteiligung
Bei chemische Reaktionen verändern sich die Stoffe und es findet ein Energieumsatz statt. Energie ist nach der Definition der Physik die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Ob die Arbeit in einer biologischen Zelle oder von einer Maschine verrichtet wird, ist dabei egal.
Ausgangsstoffe → Reaktionsprodukte. Bei einer chemischen Reaktion wird Energie verbraucht oder abgegeben
In den Versuchen 1 und 2 wurde Wärmeenergie freigesetzt, auch die Synthese von Eisensulfid und Zinksulfid (Kapitel 7) lief unter Abgabe von Wärmeenergie ab. Die Einheit der Wärmeenergie ist das Joule. Um 1 kg Wasser von 14,5 auf 15,5°C zu erwärmen, werden 4,19 kJ (1 Kilojoule = 1000 Joule) benötigt.
Chemische Reaktionen, die unter Abgabe von Wärmeenergie ablaufen, bezeichnet man als exotherme Reaktionen. Es gibt aber auch Reaktionen, die fortlaufend Wärmeenergie benötigen, sie werden als endotherme Reaktionen bezeichnet. Beispielsweise bricht die Analyse von Quecksilberoxid (Versuch 2, Kapitel 7) ab, wenn man nicht ständig erhitzt. In der Technik haben Reaktionen, die Energie liefern, einen sehr hohen Stellenwert, man denke nur an einen Ofen oder an den Motor eines Autos. Jede Bewegung eines Muskels im Körper ist durch chemische, unter Energiebeteiligung ablaufende Reaktionen gekennzeichnet und lebenswichtig für alle Lebewesen.
Die Aktivierung einer chemischen Reaktion
Die Energie, die an einer chemischen Reaktion beteiligt ist, ist nicht immer sichtbar, beispielsweise beim Rosten von Eisen. Trotzdem ist sie vorhanden und kann mit feinen Meßinstrumenten nachgewiesen werden. Bei den Versuchen 2 und 3 konnte man beobachten, dass bei chemischen Reaktionen auch Energie in Form von Licht beteiligt sein kann. Auch elektrische Energie kann bei chemischen Vorgängen in Erscheinung treten.
Die Versuche 1 und 2 sind zwar unter beträchtlicher Wärmeabgabe (also exotherm) verlaufen, trotzdem mußte vor Beginn erhitzt werden, um die Reaktion in Gang zu bringen. Erst danach verliefen die Reaktionen stark exotherm. Die erforderliche Energie, die man zur »Zündung« einer chemischen Reaktion benötigt, wird Aktivierungsenergie genannt. Durch sie werden Stoffe in einen reaktionsbereiten Zustand versetzt.
Beispiele für exotherme Reaktionen
- die Neutralisation einer Säure durch eine Lauge.
- die Verbrennung von Kraft- und Brennstoffen.
- Atmung in den Körperzellen. Sie liefert Energie, um Herz und Lunge in Gang zu halten, den Körper warm zu halten und die Energie, die wir brauchen, um uns zu bewegen.
Beispiele für endotherme Reaktionen
- Reaktionen, die während des Kochens von Lebensmitteln stattfinden.
- die Polymerisation von Ethen zu Polyethylen.
- die Reduktion von Silberionen zu Silber in der Fotografie.
- Elektrolyse. Die Energie wird in Form von Elektrizität bereitgestellt.