Energiediagramm – Chemie, Erklärung und Beispiele

Ein Energiediagramm beschreibt den energetischen Zustand der Reaktionspartner im Verlauf einer chemischen Reaktion. Eine Reaktion verläuft exotherm, wenn im Energiediagramm die Ausgangsstoffe (Edukte) eine höhere Energie als die Produkte aufweisen. Eine exotherme Reaktion findet spontan statt, da im Reaktionsverlauf Energie freigesetzt wird. Eine endotherme Reaktion ist dadurch gekennzeichnet, dass im Energiediagramm die Edukte eine geringere Energie besitzen als die Produkte. Eine endotherme Reaktion verläuft nicht spontan, da eine Energiezufuhr erforderlich ist. Egal ob eine chemische Reaktion exotherm oder endotherm verläuft, immer muss eine Aktivierungsenergie zugeführt werden. Einfach erläutert beschreibt der Begriff Aktivierungsenergie in der Chemie die Mindestenergie, die aufgebracht werden muss, damit eine Reaktion abläuft. Im Energiediagramm ist die Aktivierungsenergie als Differenz zwischen dem Hochpunkt des Graphen und der Energie der Edukte zu erkennen. In der folgenden Abbildung sind Energiediagramm für eine exotherme und endotherme Reaktion dargestellt:

Beispiele für exotherme Reaktionen sind alle Verbrennungsvorgänge, die Reaktion von Kupfer mit Schwefel zu Kupfersulfid oder die Reaktion von Zink mit Schwefel zu Zinksulfid. Beispiel für eine endotherme Reaktion ist die Elektrolyse von Wasser.

Nach der Stoßtheorie findet eine chemische Reaktion statt, wenn zwei Teilchen ausreichend kinetische Energie haben und in der richtigen Orientierung aufeinanderstoßen. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Aktivierungsenergie, der Temperatur und der Konzentration der beteiligten Stoffe. 

Der Zusammenhang zwischen Aktivierungsenergie und Reaktionsgeschwindigkeit ist folgender: Je höher die Aktivierungsenergie, desto geringer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. 

Die Aktivierungsenergie kann durch Katalysatoren gesenkt und damit die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden. Katalysatoren sind Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen können, ohne selbst verbraucht zu werden. Sie beeinflussen also die Produktbildung nicht. In der folgenden Abbildung ist das Energiediagramm einer exothermen und endothermen Reaktion mit Katalysator dargestellt:

Die Reaktion von A zu B ist exotherm, die Rückreaktion von B zu A verläuft endotherm.

Die Aktivierungsenergie spielt auch im Stoffwechsel der Organismen eine wichtige Rolle. Die Katalysatoren in biologischen Systemen werden als Enzyme bezeichnet. Enzyme senken die Aktivierungsenergie biochemischer Prozesse und beschleunigen so Stoffwechselvorgänge, wie z. B. die Zellatmung. Auch im Stoffwechsel kann zwischen exothermen und endothermen Reaktionen unterschieden werden, deren energetischen Eigenschaften in dieser Tabelle zusammengefasst sind: