Während einige chemische Reaktionen beginnen, sobald die Reaktanten in Kontakt kommen, sind bei vielen anderen die Chemikalien reagieren nicht, bis sie mit einer externen Energiequelle versorgt werden, die die Aktivierung bewirken kann Energie. Es gibt mehrere Gründe, warum Reaktanten in unmittelbarer Nähe möglicherweise nicht sofort eine chemische Reaktion eingehen, aber es ist wichtig zu wissen, welche Arten von Reaktionen eine Aktivierungsenergie benötigen, wie viel Energie benötigt wird und welche Reaktionen ablaufen sofort. Nur so können chemische Reaktionen sicher eingeleitet und kontrolliert werden.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Aktivierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um eine chemische Reaktion zu starten. Einige Reaktionen laufen sofort ab, wenn die Reaktanten zusammengebracht werden, aber für viele andere reicht es nicht aus, die Reaktanten in unmittelbarer Nähe zu platzieren. Damit die Reaktion ablaufen kann, ist eine externe Energiequelle zur Bereitstellung der Aktivierungsenergie erforderlich.
Eine Definition der Aktivierungsenergie
Um die Aktivierungsenergie zu definieren, muss die Initiierung chemischer Reaktionen analysiert werden. Solche Reaktionen treten auf, wenn Moleküle Elektronen austauschen oder wenn Ionen mit entgegengesetzter Ladung zusammengebracht werden. Damit Moleküle Elektronen austauschen können, müssen die Bindungen, die die Elektronen an ein Molekül gebunden halten, aufgebrochen werden. Bei Ionen haben die positiv geladenen Ionen ein Elektron verloren. In beiden Fällen wird Energie benötigt, um die anfänglichen Bindungen aufzubrechen.
Eine externe Energiequelle kann die erforderliche Energie bereitstellen, um die fraglichen Elektronen zu verdrängen und die chemische Reaktion ablaufen zu lassen. Aktivierungsenergieeinheiten sind Einheiten wie Kilojoule, Kilokalorien oder Kilowattstunden. Sobald die Reaktion im Gange ist, setzt sie Energie frei und ist selbsterhaltend. Die Aktivierungsenergie wird nur zu Beginn benötigt, um die chemische Reaktion starten zu lassen.
Basierend auf dieser Analyse wird die Aktivierungsenergie als die minimale Energie definiert, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu starten. Wenn den Reaktanten Energie von einer externen Quelle zugeführt wird, beschleunigen die Moleküle und kollidieren heftiger. Die heftigen Kollisionen stoßen Elektronen frei, und die resultierenden Atome oder Ionen reagieren miteinander, um Energie freizusetzen und die Reaktion am Laufen zu halten.
Beispiele für chemische Reaktionen, die Aktivierungsenergie erfordern
Die häufigste Reaktionsart, die Aktivierungsenergie erfordert, umfasst viele Arten von Feuer oder Verbrennung. Diese Reaktionen kombinieren Sauerstoff mit einem kohlenstoffhaltigen Material. Der Kohlenstoff hat bestehende molekulare Bindungen mit anderen Elementen im Brennstoff, während Sauerstoffgas als zwei miteinander verbundene Sauerstoffatome existiert. Kohlenstoff und Sauerstoff reagieren normalerweise nicht miteinander, weil die bestehenden Molekülbindungen zu stark sind, um durch gewöhnliche Molekülkollisionen gebrochen zu werden. Wenn externe Energie wie eine Flamme eines Streichholzes oder ein Funke einige der Bindungen bricht, reagieren die entstehenden Sauerstoff- und Kohlenstoffatome, um Energie freizusetzen und ein Feuer am Laufen zu halten, bis der Brennstoff ausgeht.
Ein weiteres Beispiel ist, dass Wasserstoff und Sauerstoff ein explosives Gemisch bilden. Vermischt man Wasserstoff und Sauerstoff bei Raumtemperatur, passiert nichts. Sowohl Wasserstoff- als auch Sauerstoffgas bestehen aus Molekülen mit zwei miteinander verbundenen Atomen. Sobald einige dieser Bindungen gebrochen werden, zum Beispiel durch einen Funken, kommt es zu einer Explosion. Der Funke gibt einigen Molekülen zusätzliche Energie, damit sie sich schneller bewegen und kollidieren und ihre Bindungen brechen. Einige Sauerstoff- und Wasserstoffatome verbinden sich zu Wassermolekülen und setzen dabei eine große Menge Energie frei. Diese Energie beschleunigt mehr Moleküle, bricht mehr Bindungen und lässt mehr Atome reagieren, was zur Explosion führt.
Aktivierungsenergie ist ein nützliches Konzept, wenn es darum geht, chemische Reaktionen zu initiieren und zu kontrollieren. Benötigt eine Reaktion Aktivierungsenergie, können die Reaktanden sicher zusammen gespeichert werden, und die entsprechende Reaktion findet erst statt, wenn die Aktivierungsenergie von außen zugeführt wird Quelle. Für chemische Reaktionen, die keine Aktivierungsenergie benötigen, wie zum Beispiel metallisches Natrium und Wasser, ist die Reaktanten müssen sorgfältig gelagert werden, damit sie nicht versehentlich in Kontakt kommen und eine unkontrollierte Reaktion.