Reaktion mit Energieabgabe: exothermEnergiereiche Verbindungen sind weniger stabil als energiearme VerbindungenEin chemischer Vorgang äußert sich in einer Stoffänderung und in einem Energieumsatz. Die Energiefreisetzung ist darauf zurückzuführen, dass die Stoffe bei exothermen Reaktionen von einem energiereicheren in einen energieärmeren Zustand übergehen. Stoffe, die bei einer Reaktion viel Energie abgeben, sind nicht sehr stabil. Stabil heißt, ein Stoff hat kein ausgeprägtes Bestreben, sich zu verändern.
Verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, werden pro Mol entstehendes Wasser 286,6 kJ frei. Die bei der Synthese einer Verbindung aus den Elementen frei werdende oder verbrauchte Energie wird allgemein Bildungswärme genannt.
| 2 H2 + O2 |  |
2 H2O + 286,6 kJ |
Wasser ist somit energieärmer als ein Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff, das bei der Bildung von Wasser Wärmeenergie abgibt. Obwohl die Wassersynthese aus den Elementen stark exotherm verläuft (Knallgasexplosion), erscheint uns ein Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff als stabil. Erst wenn das Gasgemisch entzündet wird (= Energiezufuhr), läuft die Reaktion sofort ab, evtl. sogar explosionsartig. Man nennt die für den »Reaktionsstart« notwendige Energie Aktivierungsenergie. Sie führt die Stoffe in einen reaktionsbereiten (»aktiven«) Zustand über (vgl. Kapitel 9 und Entzündungstemperatur, Kapitel 12). Auch die exotherme Synthese von Eisensulfid und Zinksulfid (Kapitel 7) setzt erst nach »Zündung« ein.
Aktivierungsenergie ist die zum Reaktionsstart benötigte EnergieWerden bei einem Vorgang Reaktionsprodukte gebildet, die energiereicher als die Ausgangsstoffe sind, muß zum Ablauf der Reaktion dauernd Energie zugeführt werden. Es handelt sich dann um einen endothermen Vorgang. Die Zersetzung von Quecksilberoxid (Kapitel 8) ist ein Beispiel dafür.
Ein Glasrohr mit Spitze wird senkrecht in ein Stativ gespannt und an eine Wasserstoffquelle angeschlossen. Nach negativem Ausfall der Knallgasprobe läßt man Wasserstoff gegen Platinasbest strömen, der sich auf einem Drahtnetz befindet.Wir haben beobachtet, dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander in Reaktionen treten können, wenn eine entsprechende Aktivierungsenergie zugeführt wird. Diese Energie dient dazu, die Moleküle zu lockern bzw. zu spalten. Danach setzt sich die Reaktion von selbst fort, weil die Bildung von Wasser aus den Elementen als exothermer Vorgang dann genügend Energie zur Aktivierung weiterer Moleküle liefert. Bei Zimmertemperatur verläuft die Reaktion mit unmeßbar geringer Geschwindigkeit, d. h. die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff treten praktisch nicht miteinander in Reaktion; das Gemisch ist »stabil«. Platin ermöglicht aber eine Reaktion, die sonst nur nach Zündung zu beobachten ist (Versuch 
).
Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab; sie beschleunigen dadurch den Reaktionsablauf.Katalyse ist die Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Katalysatoren.Dies beruht auf der Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch das Platin. Das Metall selbst wird bei dem Vorgang nicht verändert. Stoffe, die die Geschwindigkeit eines chemischen Reaktionsablaufes beeinflussen, am Ende aber unverändert daraus hervorgehen, nennt man Katalysatoren. In der technischen Chemie spielen Katalysatoren bei vielen Verfahren eine entscheidende Rolle, weil sie sehr langsam verlaufende Prozesse deutlich beschleunigen.
Wasserstoffperoxid zerfällt in einer exothermen Reaktion sehr leicht in Wasser und Sauerstoff:
| H2O2 | |
H2O + ½ O2 ↑ + 96,37 kJ/mol |
In einem Erlenmeyerkolben mit einer Spatelspitze Braunstein läßt man 10%iges Wasserstoffperoxid tropfen und fängt das entweichende Gas auf. Glimmspanprobe und Temperaturkontrolle!
In ein Rg gibt man etwas geriebene rohe Kartoffel, in ein zweites ein erbsengroßes Stück Hefe und in ein drittes ein paar ml Blut. Gieße in jedes Rg 3 - 5 ml Wasserstoffperoxid (3%ig). Glimmspanprobe, Temperaturkontrolle!Wasserstoffperoxid H2O2 zerfällt bei Zugabe eines Katalysators in Wasser und Sauerstoff.Die leichte Abspaltung von Sauerstoff kennzeichnet es als Oxidationsmittel. Der Zerfall des Wasserstoffperoxids wird durch Katalysatoren stark beschleunigt. In unserem Versuch zeigt sich die katalytische Wirkung von Braunstein MnO2. Wie aus Versuch abgeleitet werden kann, sind in pflanzlichen und tierischen Zellen auch Katalysatoren enthalten, die den Zerfall von Wasserstoffperoxid begünstigen; sie werden Biokatalysatoren oder Enzyme genannt und spielen eine lebenswichtige (Name!) Rolle in allen Zellen. Auch unter dem Einfluß von Licht zerfällt Wasserstoffperoxid sehr leicht; es wird daher in braunen Flaschen aufbewahrt. Wegen seiner oxidierenden Eigenschaften findet es als Bleichmittel für Haare, Textilien und Holz und als Desinfektionsmittel (Gurgeln) Verwendung. In kon- zentrierter Form wird es zur Oxidation für Raketentreibstoffe - vor allem in kleinen Steuerraketen - verwendet.
Versuche