Thermodynamik und Kinetik chemischer Reaktionen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Thermodynamik und Kinetik chemischer Reaktionen. Gliederung des Filmes: 1. Zwei Grundfragen der Chemie 2. Energiediagramme 3. Thermodynamik und kinetische Kontrolle 4. Kinetik und Thermodynamik im Vergleich 5. Zusammenfassung

In der Chemie geht es prinzipiell um Stoffumwandlungen. Nehmen wir an, zwei Stoffe A und B ergeben zwei Reaktionsprodukte C und D. Nun gibt es dafür zwei Möglichkeiten der Betrachtungsweisen und Untersuchungen. Als erstes kann und muss man sich die Frage stellen: Wie schnell läuft diese chemische Reaktion ab? Betrachtet man nun diese chemische Reaktion nicht als einfachen Prozess in eine Richtung, sondern als Hin- und Rückreaktion, so stellt man fest, dass das Wesen dieser chemischen Reaktion durch die Geschwindigkeit in eine Richtung nicht einfach beantwortet wird. Man muss sich als zweites zusätzlich die Frage stellen: Wie wahrscheinlich ist, dass diese Reaktion abläuft? Mit der ersten Frage, nämlich der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, befasst sich das Forschungsgebiet der Kinetik oder Reaktionskinetik. Die Wahrscheinlichkeit des Ablaufes einer chemischen Reaktion untersucht das Forschungsgebiet der Thermodynamik.

1. Energiediagramme Der energetische Verlauf einer chemischen Reaktion wird in einem sogenannten Energiediagramm dargestellt. Man trägt hier die freie Energie G gegen die sogenannte Reaktionskoordinate, dem Parameter, der den Verlauf der chemischen Reaktion darstellt, ab. Die freien Energien von A+B, den Ausgangsstoffen, und C+D, den Reaktionsprodukten, seien so, wie sie in dem Energiediagramm dargestellt sind. Es ist bekannt, das man von A+B zu C+D nicht einfach gelangt, sondern durch einen Übergangszustand. Aus der Differenz der freien Energie des Übergangszustandes und der freien Energie von A+B ergibt sich die freie Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion. Mit diesem Teil des Energiediagramms befasst sich die Kinetik. Die Differenz der freien Energien der Reaktionsprodukte C+D und der Ausgangsstoffe A+B ergibt die freie Reaktionsenergie der chemischen Reaktion, ΔG. Mit diesem Bereich des Energiediagramms befasst sich die Thermodynamik. Die Kinetik bestimmt und untersucht die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Die Thermodynamik hingegen befasst sich mit deren Reaktionswahrscheinlichkeit. Kommen wir nun zu zwei wichtigen Begriffen, die häufig nicht oder missverstanden werden.

2. Thermodynamische und kinetische Kontrolle Nehmen wir an: Aus einem Ausgangsstoff A bilden sich bei einer chemischen Reaktion die Reaktionsprodukte B und C. Die Produkte B und C unterscheiden sich in ihren freien Energien. B hat eine höhere freie Energie als C. Die Aktivierungsenergien für die Bildung von B und C sei niedrig und in etwa gleich. C besitzt weniger Energie als B, ist also energetisch günstiger. Daher wird sich mehr C als B bilden. Wir sprechen hier von einer thermodynamischen Kontrolle. Betrachten wir nun einen anderen Fall: Aus einem Ausgangsstoff A sollen sich wieder zwei Reaktionsprodukte B und C mit unterschiedlichen freien Energien bilden. Die Aktivierungsenergie für die Bildung von B sei wieder so groß wie im Beispiel der thermodynamischen Kontrolle. Die Aktivierungsenergie für die Bildung von C hingegen sei um ein Vielfaches höher. Und obwohl C energetisch viel günstiger als B ist, wird es sich in viel geringerem Maße bilden - aus dem einfachen Grund, weil die Aktivierungsenergie für seine Bildung so hoch ist. C bildet sich weniger als B. Einen derartigen Verlauf einer chemischen Reaktion bezeichnet man als kinetische Kontrolle.

3. Kinetik und Thermodynamik im Vergleich Schauen wir uns einmal die Kinetik und die Thermodynamik hinsichtlich der Betrachtungsweisen und des Untersuchungsgegenstandes an. Bei der Kinetik interessiert nur der energetische Verlauf von den Ausgangsstoffen bis hin zum Übergangszustand. Der Übergangszustand ist für die Thermodynamik ohne Interesse. Hier werden nur die Energien der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte untersucht, bzw. die entsprechenden Differenzen. Die Kinetik interessiert sich für die Reaktionsgeschwindigkeit V; für die Thermodynamik besitzt sie kein Interesse. Für die Kinetik ist nicht relevant, wie groß die Wahrscheinlichkeit P des Verlaufs einer chemischen Reaktion ist; sehr wohl ist diese Wahrscheinlichkeit aber Untersuchungsgegenstand der Thermodynamik. Die freie Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion ist wichtiger Untersuchungsgegenstand der Kinetik; sie spielt keine Rolle in der Thermodynamik. Die freie Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion ist in der Kinetik nicht von Interesse; Bestimmung und Voraussage von Reaktionsenergien sind wichtiger Untersuchungsgegenstand der Thermodynamik.

4. Zusammenfassung Für den Verlauf der chemischen Reaktion A+B zu C+D sind zwei wichtige Fragen von Interesse. Als erstes möchte man die Geschwindigkeit dieser chemischen Reaktion erfahren. Wenn man die Reaktion als Hin- und Rückreaktion betrachtet, so ist auch die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses von Interesse. Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen werden von der Kinetik untersucht; die Wahrscheinlichkeit von chemischen Reaktionen untersucht die Thermodynamik. Der Verlauf einer chemischen Reaktion kann in einem Energiediagramm dargestellt werden. Hier wird die freie Energie gegen die Reaktionskoordinate abgetragen. Zu Beginn der chemischen Reaktion hat das Reaktionsgemisch den Energiegehalt der Ausgangsstoffe A+B; zum Ende der chemischen Reaktion besitzt das System den Energiegehalt der Reaktionsprodukte, C+D. Der erste Teil der Untersuchungen befasst sich mit dem Energiebereich von A+B bis zum Übergangszustand. Ein zweiter wichtiger Untersuchungsgegenstand ist die Energieveränderung der Ausgangsstoffe A+B zu den Reaktionsprodukten C+D. Der erste Teil der Untersuchung befasst sich mit der freien Aktivierungsenergie, der zweite Teil mit der freien Reaktionsenergie. Rot eingezeichnet ist die Aktivierungsenergie, blau eingezeichnet die Reaktionsenergie. Erstere ist wesentlicher Untersuchungsgegenstand der Kinetik, während die zweite Größe von der Thermodynamik untersucht wird.

Ich bedanke mich für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!