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Spontane Reaktionen

Warum laufen manche chemischen Reaktionen von selbst ab?

Einige Vorgänge laufen spontan ab. Beispielweise der Lösungsvorgang von Kaliumpermanganat in Wasser, die Verteilung von Wasser auf einer Tischoberfläche, wenn ein Glas umfällt oder auch die exotherme Verbrennung von Erdgas (Methan). Dies soll mit dem folgenden Versuch genauer untersucht werden.

Geräte und Chemikalien:
Becherglas 100ml, 50ml Wasser, Thermometer, Brausetablette
Versuchsaufbau:
1. Thermometer
2. Becherglas 100ml
3. 50 ml Wasser
4. Brausetablette

Versuchsdurchführung:
In ein Becherglas werden 50 ml Wasser gegeben und die Temperatur gemessen. Anschließend wird eine Brausetablette wird in dem Becherglas aufgelöst. Am Ende wird die Temperatur erneut gemessen.
Versuchsbeobachtungen:


Wird eine Brausetablette in Wasser gegeben, so löst sie sich innerhalb kurzer Zeit unter Gasentwicklung vollständing auf. Die Temperatur sinkt dabei von 23°C auf 18°C.
Versuchserklärung:
Die Reaktion verläuft endotherm, aber trotzdem ohne äußere Energiezufuhr ab.
Brausetabletten enthalten in der Regel Natriumhydrogencarbonat und Zitronensäure (3-Carboxy-3-hydroxypentandisäure). In Wasser lösen sich die beiden Bestandteile, bilden hydratisierte Ionen und reagieren sofort miteinander.


Die hydratisierten Natriumkationen sind hier Hellrot und die Hydrogencarbonationen Hellgrün dargestellt. Die Wassermoleküle sind polar gebaut und schließen die Ionen so ein, dass sie mit dem jeweils entgegengesetzt geladenen Pol zum Ion angeordnet sind. Das Sauerstoffatom (blau) ist negativ und die beiden Wasserstoffatome (rot) sind positiv polarisiert. Die Vorzeichen bei Wassermolekülen sind keine ganzen Ladungen, sondern nur Teilladungen.

Bei der Reaktion bilden sich Natriumcitrat sowie Kohlensäure.



Das Natriumcitrat ist in Wasser löslich, deshalb bilden sich hydratisierte Natriumkationen (hellrot) und Citratanionen (violett). Die Citrationen sind stark vereinfacht dargestellt.



Die entstehende Kohlensäure zerfällt in Wasser in Kohlenstoffdioxid und Wassser. Nur ein geringer Teil des Kohlenstoffdioxids bleibt in Wasser gelöst, der Rest entweicht und ist für das Sprudeln verantwortlich.

Definition:
Chemische Reaktionen, die ohne Äußeren energetischen Einfluss ablaufen nennt man spontane Reaktionen.
Die Auflösung der Brausetablette ist eine spontane chemische Reaktion.

Bisher wurde nur erklärt wie die chemische Reaktion abläuft, aber nicht warum. Um das zu verstehen muss man den Ordnungszustand des Reaktionssystems betrachten.
Vor der Reaktion waren die Stoffe kristallin, das heißt die Atome oder Ionen waren sehr regelmäßig angeordnet. Nach der Reaktion waren Gasmoleküle in die Umgebung entwichen und Ionen in der Lösung zufällig verteilt. Aus der Ordnung ist eine große Unordnung geworden. Man spricht auch von einem chaotischen Zustand.
Die endotherme Reaktion kann nur spontan ablaufen, wenn gleichzeitig die Ordnung abnimmt.
Die Ordnung eines Systems nimmt bei folgenden Vorgängen ab:
1. Volumenvergrößerung,
2. Temperaturzunahme (Geschwindigkeit der Teilchen wird größer),
3. Unterschiedliche Teilchen mischen sich,
4. Die Teichenanzahl wird größer (Stoffmengenzunahme),
5. Konzentraztionen oder Temperaturen gleichen sich aus.

Betrachtet man die Änderung des Ordnungszustands eines Systems, so muss auch die Umgebung betrachtet werden, da sich die Temperatur der Umgebung ändern kann und damit auch deren Ordnungszustand.
Die Temperaturabnahme der Umgebung (Wasser) führt zu einer höheren Ordnung, wodurch die endotherme Reaktion erst möglich ist.

Im Gegensatz dazu wird bei einer exothermen Reaktion die Umgebung erwärmt, wodurch die Ordnung geringer wird. Deshalb laufen exotherme Reaktionen oft spontan ab.

Betrachtet man die Änderungen von System und Umgebung zusammen gilt folgende Aussage:
Bei spontanen Vorgängen nimmt die Ordung immer ab. Bei einer Zunahme der Ordnung im System muss die Abnahme der Ordnung in der Umgebung größer sein. Diese Vorgänge laufen deshalb immer nur in einer Richtung (in Richtung der niedrigeren Ordnung) ab.

Die Betrachtung spontaner Vorgänge führte uns zum Ordnungszustand eines Systems, um ihn besser beschreiben zu können führte man den Begriff Entropie ein (1854 Rudolf Clausius). Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Mit Hilfe des Entropie-Begriffs lässt sich die obige Reaktion so deuten:
Endotherme chemische Reaktionen können ablaufen, wenn sich dabei die Entropie (Unordnung) stark erhöht.