Einführung in die Kinetik

Wenn man sich mit Chemie befasst, hat man häufig mit Reaktionen zu tun. Also eigentlich hat man immer mit Reaktionen zu tun. Wasserstoffmoleküle sind z. B. aus zwei Atomen zusammengesetzt, weil Wasserstoffatome im gasförmigen Zustand mit jeweils einem weiteren Wasserstoffatom eine Bindung eingehen. Außerdem haben wir hier Iod als Molekül aus zwei Iodatomen, das sich auch im gasförmigen Zustand befindet. Wenn man die beiden Moleküle zusammenwirft, dann werden die miteinander reagieren und irgendein Reaktionsprodukt ergeben. In diesem Fall werden aus 1 Mol Wasserstoff und 1 Mol Iod 2 Mol Iodwasserstoff. Das ist alles hübsch und ordentlich, und es sieht vielleicht so aus, als ob das alles einfach so von selbst passiert, aber wir wissen, dass das tatsächlich nicht der Fall ist. Wir wissen auch, dass diese Reaktion nicht sofort abläuft, sobald man Wasserstoff und Iod zusammengibt. Die beiden Reaktionspartner bilden also nicht einfach auf magische Weise den Iodwasserstoff. Die Teilchen der beiden Gase bewegen sich zufällig durch die Gegend, und irgendwie kollidieren sie miteinander und lösen ihre bestehenden Molekülverbindungen, wodurch sie neue Verbindungen eingehen können. Und das schauen wir uns jetzt mal genauer an. Die Beobachtungen zum ganzen Reaktionsablauf und der Reaktionsgeschwindigkeit werden unter dem Begriff "Kinetik" zusammengefasst. Das hört sich wahnsinnig schick an, aber vielleicht ist Dir der Begriff schon bekannt, weil wir in den vorangegangenen Videos bereits häufiger von kinetischer Energie gesprochen haben. Kinetik beschreibt also die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen und erklärt auch, wie die Reaktionen genau ablaufen. Wie können wir uns nun vorstellen, was hier zwischen dem Wasserstoff und dem Iod während der Reaktion passiert? Lass uns mal darüber nachdenken, wie Wasserstoff aussieht. Wenn wir hier im Periodensystem nachschauen, sehen wir, dass Wasserstoff ein Valenzelektron bzw. Außenelektron besitzt. Wenn wir zwei Wasserstoffatome haben, dann können die beiden Atome ihre Außenelektronen miteinander teilen. Und Iod besitzt sieben Außenelektronen. Wenn die Iodatome eines ihrer Elektronen miteinander teilen, dann haben sie auch einen Oktettzustand in ihrer äußeren Schale. Ich mal' das mal auf. Also Wasserstoff, dieses Wasserstoffatom, hat ein Außenelektron. Ein Elektron da draußen. Und dann wäre hier ein zweites Wasserstoffatom, das auch ein Außenelektron besitzt. Und wenn die beiden Atome jetzt eine Bindung eingehen, dann teilen sie sich die beiden Elektronen. Dieses Wasserstoffatom kann so tun, als ob dieses Elektron zu ihm gehört. Und dieses Wasserstoffatom kann sich auch einbilden, dass dieses Elektron zu ihm gehört, und beide sind glücklich. Die beiden haben damit ihre 1s-Schale komplett aufgefüllt. Dasselbe gilt für die beiden Iodatome. Die haben beide sieben Außenelektronen. Also sind sie Halogene. Aber das weisst Du ja schon. Halogene sind Elemente der siebten Hauptgruppe, also haben sie sieben Elektronen auf der äußeren Schale. Dieser Kerl hat eins hier. Und dieser Kerl hier hat eins hier. Wenn der Kerl hier so tun kann, als ob ihm dieses Elektron gehört, dann ist er glücklich. Er hat dann acht Außenelektronen. Und das gleiche gilt auch für das andere Atom. Wir haben also eine Bindung zwischen den beiden Atomen, das ist auch der Grund dafür, warum Wasserstoff ein diatomares Gasmolekül ist. Dasselbe gilt für die beiden Iodatome. Wenn sich die Moleküle im gasförmigen Zustand befinden, dann bewegen sie sich wild durch die Gegend und stoßen aneinander. Ich zeichne das mal auf. Der Wasserstoff sieht dann ungefähr so aus. Das Wasserstoffmolekül hat diese zwei atomaren Sphären, die miteinander verbunden sind. Die Elektronen sitzen in der Mitte und sorgen dafür, dass die beiden Atome miteinander verbunden bleiben. Das Iodmolekül sieht etwa so aus. Das ist ein viel größeres Molekül und so miteinander verbunden. Die Atome teilen sich ihre Elektronen auch in einer kovalenten Bindung, und die Elektronen sausen in wahrscheinlichkeitsbedingten Wolken umher. Damit diese beiden Moleküle zu dem hier werden können, müssen die bestehenden Bindungen irgendwie aufgebrochen und neue Bindungen gebildet werden. Was also passieren muss, ist... Es gibt hier eine Unmenge von diesen Molekülen. Ich könnte noch ein paar malen, oder ich ich könnte die Dinger auch kopieren und einfügen. Hier haben wir also ein paar Wasserstoffmoleküle und einige von diesen Iodgasmolekülen. Damit wir den Iodwasserstoff erhalten, müssen diese Moleküle miteinander kollidieren, und das muss auf die richtige Art und Weise passieren. Wir nehmen mal an, dass dieser Kerl hier - warte mal, ich kann das auch zeigen... Sagen wir mal, dass er sich bewegt. Sehr schön. Sieht so aus, als würde er sich bewegen. Er muss das Wasserstoffmolekül genau richtig erwischen. Wenn das passiert, und er auch mit genügend Energie auf das Wasserstoffmolekül trifft, dann kommen wir zu diesem Punkt hier. Diese Elektronen sagen dann: "Hey, weißt Du was, das ist ganz nett, wenn wir so geteilt werden. Wir befinden uns hier in einer stabilen Konfiguration. Wir füllen die 1s-Schale voll aus. Aber schau Dir das mal an. Da kommt so ein Iodmolekül vorbei und das zieht mich zu sich rüber." Das Iod ist viel elektronegativer als der Wasserstoff, also zieht er die Elektronen an. Die Elektronen wissen aber erst mal nicht genau, ob sie beim Wasserstoff bleiben oder zum Iod hinüberwandern sollen. Und deshalb geraten sie in einer energetisch angeregten Zustand. Dasselbe gilt auch für die Iod-Elektronen. Die überlegen sich ebenfalls, ob es außerhalb der kovalenten Bindung nicht schöner wäre. Ich könnte doch vielleicht zu meinem alten Iodatom zurückkehren und mit dem angezogenen Elektronen vom Wasserstoff den Oktettzustand herstellen. Und das passiert auch hier auf der anderen Seite. Und dieser Komplex hier, der genau bei der Kollision der beiden Moleküle entsteht, das ist tatsächlich ein besonderer Zustand. Das ist ein hochenergetischer Zustand oder der sogenannte Übergangszustand. Er wird auch als Aktivierter Komplex bezeichnet. Ich hab' das hier so dargestellt. Aber man könnte es auch so zeichnen. Das Wasserstoffatom hat eine kovalente Bindung mit einem anderen Wasserstoffatom. Und hier kommt ein Iodatom, das eine kovalente Bindung mit einem anderen Iodatom hat. Aber plötzlich wollen diese beiden hier auch eine Bindung eingehen. Es besteht hier also eine gewisse Anziehung. Das ist noch eine andere Art, den Aktivierten Komplex darzustellen. Es handelt sich um einen hochenergetischen Zustand, weil... ... man kann sich das so vorstellen, dass die Elektronen über mehr Energie verfügen müssen, um diese oder diese Bindung eingehen zu können. Das ist ein weniger stabiler energetischer Zustand als vorher. Trotzdem machen die Elektronen das, wenn genug Energie vorhanden ist. Ich zeiche die beiden Moleküle mal getrennt. Hier sind das Wasserstoffmolekül und das Iodmolekül noch getrennt. Die beiden gehen in den höheren energetischen Zustand über. Wenn sie diesen Zustand erreichen, wenn also genügend (kinetische) Energie für die Kollision vorhanden ist und die Atome in der richtigen Orientierung aneinanderstoßen, dann gelangen die Atome über diesen Aktivierten Komplex in einen Zustand mit der niedrigsten Energie. Und diesem niedrigsten energetischen Zustand entspricht dann der Iodwasserstoff. Hoppla! Ich will erst das Iod und dann den Wasserstoff zeichnen. Hierbei handelt es sich um ein niedrigeres energetisches Niveau als hier. Um aber von den einzelnen Molekülen zum Iodwasserstoff zu gelangen, muss dieser energiereichere Zustand durchlaufen werden. Ich zeige das mal an einem Energie-Diagramm. Die X-Achse zeigt den Reaktionsverlauf. Wir wissen nicht genau, wie schnell die Reaktion abläuft, aber man könnte das auch als Zeitachse auffassen. Und die Y-Achse zeigt uns die potenzielle Energie bzw. Ruheenergie an. Ich mag lieber dicke Linien. Das hier ist die potenzielle Energie. Die Linie hier mache ich auch noch dicker. Das ist also die potenzielle Energie. Das ist unser Startpunkt und man kann hier auch von kombinierter potenzieller Energie sprechen. Wir beginnen also hier und das ist H2 plus I2. Und das niedrigste Energieniveau haben wir beim Iodwasserstoff, das hier unten ist also die niedrigere potenzielle Energie. Das ist 2 HI, ja? Um dorthin zu gelangen, müssen wir durch diesen Übergangszustand gehen, in dem sich die Elektronen entscheiden müssen, wo sie ihr zukünftiges Leben verbringen wollen. Um hier hin zu gelangen, muss man dem System Energie zuführen. Das muss man nicht immer machen, aber wenn es nicht einfach so spontan passiert, dann muss von außen Energie in das System gebracht werden, um diesen aktivierten Zustand zu erreichen. An diesem Buckel haben wir also diesen Aktivierten Komplex. Hier muss also zusätzliche Energie im System sein. Und diese Energie, also die Differenz zwischen dem Energiegehalt des Anfangszustands, in dem wir nur Wasserstoff- und Iodmoleküle hatten und dem Energiegehalt des Aktivierten Komplexes - das entspricht diesem Abstand hier - die bezeichnet man als Aktivierungsenergie. Wenn wir ausreichend Energie in das System bringen können, dann wird das hier passieren. Die Atome werden mit genügend Energie kollidieren und die Bindungen werden aufgebrochen und neu zusammengefügt. Aktivierungsenergie. Manchmal wird das auch als Ea geschrieben, "energy of activation". In anderen Videos werden wir uns vielleicht Reaktionen anschauen, bei denen wir die Aktivierungsenergie berechnen werden, aber hier ist erst mal wichtig, dass wir das Konzept verstehen. Dass die Stoffe also nicht einfach so von hier nach da reagieren. Ich werde jetzt nicht näher auf Katalysatoren eingehen, davon hast Du vielleicht schon mal was gehört, oder davon, dass etwas katalysiert wird. Dabei handelt es sich um einen anderen weiteren Stoff in der Reaktion. Wir haben hier H2 plus I2, die 2 Iodwasserstoffmoleküle ergeben. Jetzt könnte man noch einen Katalysator hinzufügen, ich nenne den jetzt mal C. Mir fällt gerade kein guter Katalysator für diese Reaktion ein. Ein Katalysator kann auf viele verschiedene Arten in die Reaktion eingreifen, das ist auch der Grund, warum ich in diesem Video erst einmal nicht näher darauf eingehe. Es ist aber wichtig zu wissen, dass ein Katalysator in der Reaktion nicht verändert wird. Er wird auch nicht verbraucht. Der Katalysator war vor der Reaktion da. Und er ist auch nach der Reaktion noch da. Der Katalysator lässt die Reaktion entweder schneller ablaufen oder er senkt die Energiemenge, die benötigt wird, um die Reaktion überhaupt ablaufen zu lassen, was aber im Grunde dasselbe ist. Wenn ein Katalysator an der Reaktion beteiligt ist, dann wird diese Aktivierungsenergie niedriger sein.