Einführung in die Aktivierungsenergie

Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video möchte ich den Begriff Aktivierungsenergie erklären. Es geht um die Fragen: Was ist Aktivierungsenergie? Welche Rolle spielt sie? Die erste dieser Fragen möchte ich gleich anhand eines kleinen Beispiels erklären, und zwar anhand der Reaktion von Kohlenstoff (C) mit Sauerstoff (O2) zu CO2. Oder ganz konkret ausgedrückt: Ich habe einen Berg Kohle und bringe ihn mit Luft zusammen, die ja zum großen Teil aus Sauerstoff besteht, und es entsteht Kohlendioxid. Zumindest ist es das, was die Reaktionsgleichung vermuten lässt. Die Realität sieht aber so aus, dass es eben nicht reicht, Kohle und Luft zusammenzubringen, damit eine Reaktion stattfindet. Wie jedes Kind weiß, benötigt man auch noch ein brennendes Streichholz oder eine andere Zündungsquelle. Dieses brennende Streichholz liefert das, was wir hier die Aktivierungsenergie nennen. Man kann folglich sagen: Aktivierungsenergie ist die Energie, die den Reaktanden zugeführt werden muss, damit die Reaktion stattfinden kann. Mit Reaktanden ist hier gemeint: Die Stoffe, die miteinander reagieren sollen. Die Aktivierungsenergie lässt sich gut anhand eines sogenannten Reaktionsdiagrammes erklären. Ein solches Diagramm besteht aus einem Koordinatensystem, wobei auf der x-Achse der sogenannte Reaktionsverlauf aufgetragen wird und auf der y-Achse die Energie des betrachteten Systems. Nun tragen wir in das Diagramm zwei horizontale Striche ein, wobei der eine Strich für das Energieniveau der Edukte steht, also die Energie der Ausgangsstoffe, und der andere Strich für das Energieniveau der Produkte, also jener Stoffe, die im Verlauf der Reaktion entstehen. Wollte man nun im Diagramm den Reaktionsverlauf darstellen, also den Weg von den Edukten zu den Produkten, dann wäre es doch naheliegend, einfach eine Linie, die auf direktem Weg von den Edukten zu den Produkten verläuft, einzuzeichnen. Leider ist das nicht so. Richtiger ist es, einen dritten horizontalen Strich hinzuzeichnen, der verlaufmäßig zwischen Edukten und Produkten liegt, aber energiemäßig über beiden angesiedelt ist. Dieser dritte Strich bezeichnet das Energieniveau des sogenannten aktivierten Komplexes. Diesen aktivierten Komplex kann man als einen energiereichen Übergangszustand bezeichnen, den die Edukte erst einnehmen müssen, bevor sie zu den Produkten weiterreagieren können. Tatsächlich verläuft die Reaktion so, dass zuerst dieser dritte, höher angesiedelte Strich erreicht werden muss und dann erst wieder sozusagen bergab gestiegen werden kann, hin zu den Produkten. Die Energie, die benötigt wird, damit die Edukte zum aktivierten Komplex werden können, nennt man die Aktivierungsenergie, auch EA abgekürzt. Wie das funktioniert, möchte ich einmal anhand eines ganz konkreten Beispiels darstellen. Und zwar anhand der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, also der Verbrennung von Wasserstoff. Bekanntlich lautet die Reaktionsgleichung dieser Reaktion 2H2+O2->2H2O. Damit ist gemeint: 2 Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül reagieren zu zwei Wassermolekülen. Die Edukte dieser Reaktion sind die beiden Wasserstoffmoleküle und das eine Sauerstoffmolekül. Und wie sieht nun der aktivierte Komplex aus? Man kann ihn sich, ganz vereinfacht natürlich, so vorstellen, dass im aktivierten Komplex die Ausgangsmoleküle H2 und O2 so verändert wurden, dass die Atome nun einzeln vorliegen. Das heißt, die Bindungen zwischen den beiden Wasserstoffatomen im H2-Molekül und zwischen den 2 Sauerstoffatomen im O2-Molekül wurden aufgebrochen. Die Energie, die benötigt wurde, um den aktivierten Komplex herzustellen, ist also letztendlich die Energie, mit deren Hilfe die Bindungen zwischen den Atomen der Edukte aufgebrochen wurden. Die Produkte sind hier die beiden Wassermoleküle, wobei jedes Wassermolekül aus 1 Sauerstoffatom und 2 Wasserstoffatomen besteht. Man kann also auch sagen: Die Aktivierungsenergie ist jene Energie, die in das System eingebracht werden muss, damit die Energiebarriere zwischen Edukten und Produkten überwunden werden kann. Sie bewirkt zum Beispiel die Lösung der alten Bindungen, damit sich dann neue Bindungen ausbilden können. Man kann das Wesen der Aktivierungsenergie auch anhand eines menschlicheren Beispiels erklären. Sagen wir mal, wir haben ein Dorf, in dem verschiedene Gruppen von Menschen leben, das heißt, wo die Menschen sich zu verschiedenen Grüppchen zusammengefunden haben, in denen sie sich tagaus, tagein bewegen. Zwischen den Gruppen besteht kaum Kontakt. Eigentlich weiß niemand so recht, warum das so ist. Aber da es schon immer so war, hat man sich darauf eingerichtet, und die Menschen der einen Gruppen verkehren nicht mit den Menschen der anderen Gruppe. Dieses Phänomen findet man häufig in Dörfern, in Städten und sogar in Schulklassen. Eines Tages kommt ein großes Unwetter über das Dorf. Es blitzt und donnert, und irgendwann steht das Hochwasser dermaßen, dass das Dorf in den Fluten zu versinken droht. Auf einmal stellt sich die Situation, dass jeder, und zwar egal, von welcher Gruppe er ist, mithelfen muss, dass die Leute sich gegenseitig retten müssen, dass die Leute gegenseitig ihre Häuser schützen müssen und so weiter. Das heißt, das alte Gruppenverhalten funktioniert nicht mehr, sondern jetzt muss improvisiert werden. Nachdem das Unwetter vorübergezogen ist, und kein größerer Schaden entstanden ist, weil alle mitgeholfen haben bei der Bewältigung der Schäden, lässt sich plötzlich eine veränderte Situation in diesem Dorf finden. Und zwar wird man feststellen, dass die alten Gruppen nicht mehr so vorhanden sind. Es haben sich neue Gruppen gebildet. Die Gruppen haben sich vermischt und aus dieser Vermischung haben sich neue Grüppchen gebildet, und vielleicht sogar das eine oder andere Liebespaar. Wer weiß? Worauf will ich mit diesem zugegebenermaßen etwas profanen Beispiel hinaus? Es geht einfach darum, dass ohne das Unwetter die alten Gruppen sich niemals aufgelöst hätten, damit sich neue Gruppen bilden können. Das Gewitter selbst könnte man dann als die Aktivierungsenergie bezeichnen. Jene Energie also, die notwendig war, damit der aktivierte Komplex eingenommen werden konnte, auf dass die Produkte entstehen. Man könnte, bezogen auf unser Beispiel, sagen, dass die Ausgangslage, diese verschiedenen Grüppchen, die Edukte darstellen. Die Lage nach dem Sturm, also die neuen Gruppen, die Produkte, und das überschwemmte Dorf wäre dann der aktivierte Komplex. Es stellt sich natürlich die berechtigte Frage: Warum ist es praktisch nützlich, die Aktivierungsenergie einer gegebenen Reaktion zu kennen? Die Antwort darauf lautet: Je höher die Aktivierungsenergie einer bestimmten Reaktion ist, desto langsamer läuft diese Reaktion ab. Warum ist das so? Das hängt damit zusammen, dass die Teilchen in einem Reaktionsgefäß unterschiedlich viel Energie besitzen. Manche besitzen mehr und manche besitzen weniger. Je niedriger die Aktivierungsenergie ist, also je niedriger die Barriere ist, über die die Teilchen sozusagen springen müssen, desto mehr Teilchen schaffen das auch. Und je mehr Teilchen es schaffen, desto schneller läuft die Reaktion ab.  Mit diesem Aspekt hängt auch folgende Beobachtung zusammen: Je höher die Temperatur ist, bei der eine Reaktion durchgeführt wird, desto mehr Edukt-Moleküle besitzen ausreichend Energie, um die Barriere zu überwinden. Das bedeutet dann, die Reaktion läuft schneller ab. Das heißt, eine Temperaturerhöhung bewirkt gleichzeitig eine Reaktionsbeschleunigung. Es gibt in der Chemie eine ganz grobe Faustregel, die besagt: Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 8°C verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit. Folgende Dinge haben wir in diesem Video gelernt: Wir haben die Frage beantwortet, was die Aktivierungsenergie überhaupt ist. Wir haben gezeigt, wie man sie in einem Reaktionsdiagramm darstellen kann und weiterhin besprochen, dass die Aktivierungsenergie ein wesentlicher Aspekt für die Einschätzung der Geschwindigkeit einer gegebenen Reaktion ist. Danke fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal.