Chemie, 12. Klasse

Einleitung

Auch in Klasse 12 wirst du dich mit weiteren spannenden Themen beschäftigen. Du wirst lernen, „Warum Reaktionen überhaupt ablaufen?“, „Wie man die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen kann?“ und „Wie man sehr viel Energie sparen kann?“, indem man Katalysatoren nutzt. Auch wirst du verstehen, „Welche Reaktionen innerhalb von Batterien ablaufen?“ und „Was eine Elektrolyse ist?“

Da die Oberstufe häufig als Ganzes gesehen wird, können dir auch Themen begegnen, die wir in Klasse 11 und auch Klasse 13 verortet haben.

Thermodynamik

Der Großteil an Reaktionen, die du bisher kennengelernt hast, läuft in eine Richtung ab. Dies wird durch den Reaktionspfeil symbolisiert, der von den Ausgangsstoffen hin zu den Reaktionsprodukten zeigt. In den Experimenten, die du dazu durchgeführt hast, werden daher Substanzen verwendet, die sofort und eindeutig miteinander reagieren. Die in der Natur ablaufenden Reaktionen sind jedoch selten so leicht durchführbar. Oft wird ein Katalysator oder eine Form der Energie benötigt, um eine chemische Reaktion zu starten oder in eine ganz bestimmte Richtung zu lenken. Wie diese Reaktionen dennoch stattfinden können, wirst du in der Thermodynamik lernen.

Du wirst die Hauptsätze der Thermodynamik kennenlernen und damit auch die verschiedenen Energien, die im Verborgenen fließen, jedoch bei jeder chemischen Reaktion bedeutend sind. So ist zum Beispiel die entstehende Reaktionswärme ein Maß für die Tendenz, wie intensiv zwei Ausgangsstoffe miteinander reagieren können. Weiterhin beruhen verschiedenste alltägliche Prinzipien wie Dampfturbinen in Kraftwerken, Kühlschränke und sogar das Wetterverhalten auf thermodynamischen Grundgesetzen.

Elektrochemie

Doch nicht nur Wärme, sondern auch Elektronenfluss kann eine Eigenschaft chemischer Reaktionen darstellen. Mit dieser Betrachtungsweise chemischer Reaktionen beschäftigt sich die Elektrochemie. Aus der Physik kennst du diesen Fluss als elektrische Stromstärke und du weißt, dass zum Beispiel Batterien Spannungen erzeugen können. Auch hinter diesem Sachverhalt steckt pure Chemie. Im Inneren der Batterien reagieren Metalle oder auch Salze miteinander und setzen dabei Elektronen frei. Die grundlegende Reaktionsart, die sich durch Elektronenübergang auszeichnet, kennst du bereits als Redoxreaktion. Du kannst also bei diesem Thema dein bereits erlangtes Wissen einsetzen und weitreichend vertiefen. Auch hier wirst du viele alltägliche Prinzipien aus chemischer Sicht kennenlernen, wie beispielsweise die Korrosion von Metallen (Rosten), die Funktion eines Handyakkus und das Verchromen von Autofelgen bzw. das Vergolden von Schmuckstücken.

Chemisches Gleichgewicht, Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysatoren

Neben den angesprochenen Reaktionen in eine bestimmte Richtung existieren weiterhin solche, deren Richtung sich steuern lässt. Der Begriff chemisches Gleichgewicht beschreibt hierbei ein System, bei dem sich durch gewisse Faktoren steuern lässt, wie viele der eingesetzten Ausgangsstoffe sich tatsächlich zu den Reaktionsprodukten umsetzen. Diese Faktoren sind beispielsweise die Konzentration, der Druck bei gasförmigen Stoffen, die Temperatur und einige weitere Größen. Diese Steuerung der Richtung ist als Prinzip von Le Chatelier und Braun bekannt. Weiterhin lässt sich die Richtung einer Reaktion bzw. der Erhalt ganz bestimmter Produkte steuern, indem man gezielt einen Reaktionsweg bevorzugt.

Die grundlegende chemische Größe stellt hierbei die Reaktionsgeschwindigkeit dar. Mit ihrer Hilfe kann man, neben der energetische Steuerung aus der Thermodynamik, ganz bestimmte Reaktionswege bevorzugen, was aus ökologischer und ökonomischer Sicht unerlässlich ist. Diese Beeinflussung chemischer Reaktionen kann zum einen, wie bereits angesprochen, durch energetische Faktoren wie Temperatur gesteuert werden.

Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz bereits angesprochener Katalysatoren. Unter dieser Kategorie chemischer Substanzen versteht man Verbindungen, die in einer chemischen Reaktion teilnehmen, an deren Ende allerdings wieder unverbraucht vorliegen. Ein Katalysator reagiert mit den Ausgangsstoffen, indem er mit ihnen übergangsweise Bindungen knüpft. Bei diesem Prozess wird die Aktivierungsenergie einer Reaktion verringert, wodurch diese schneller ablaufen kann. Anschließend löst sich der Katalysator wieder von den Ausgangsstoffen und lässt sie miteinander reagieren. Daraus resultiert das Reaktionsprodukt und der Katalysator kann diesen Vorgang erneut starten.