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Bei einer chemischen Reaktion werden die Ausgangsstoffe, die als Reaktanten bezeichnet werden, in Produkte umgewandelt. Während alle chemischen Reaktionen einen anfänglichen Energieeintrag erfordern, der als Aktivierungsenergie bezeichnet wird, führen einige Reaktionen zu einer Nettofreisetzung von Energie in die Umgebung und andere zu einer Nettofreisetzung von Energie aus der Umgebung. Die letztere Situation wird als endergonische Reaktion bezeichnet.
Reaktionsenergie
Chemiker definieren ihr Reaktionsgefäß als "System" und alles andere im Universum als "Umgebung". Wenn eine endergonische Reaktion Energie aus der Umgebung absorbiert, gelangt diese Energie in das System. Der gegenteilige Typ ist eine exergonische Reaktion, bei der Energie an die Umgebung abgegeben wird.
Der erste Teil einer Reaktion erfordert immer Energie, unabhängig vom Reaktionstyp. Auch wenn das Verbrennen von Holz Wärme abgibt und beim Starten spontan auftritt, muss der Prozess durch Hinzufügen von Energie gestartet werden. Die Flamme, die Sie hinzufügen, um das Verbrennen von Holz zu starten, liefert die Aktivierungsenergie.
Aktivierungsenergie
Um von der Reaktantenseite zur Produktseite der chemischen Gleichung zu gelangen, müssen Sie die Aktivierungsenergiebarriere überwinden. Jede einzelne Reaktion hat eine charakteristische Barrieregröße. Die Höhe der Barriere hat nichts damit zu tun, ob die Reaktion endergonisch oder exergonisch ist; Beispielsweise kann eine exergonische Reaktion eine sehr hohe Aktivierungsenergiebarriere aufweisen oder umgekehrt.
Einige Reaktionen finden in mehreren Schritten statt, wobei jeder Schritt seine eigene zu überwindende Aktivierungsenergiebarriere aufweist.
Beispiele
Synthetische Reaktionen neigen dazu, endergonisch zu sein, und Reaktionen, die Moleküle abbauen, neigen dazu, exergonisch zu sein. Beispielsweise sind der Prozess der Verbindung von Aminosäuren zu einem Protein und die Bildung von Glucose aus Kohlendioxid während der Photosynthese beides endergonische Reaktionen. Dies ist sinnvoll, da Prozesse, die größere Strukturen aufbauen, wahrscheinlich Energie benötigen. Die Umkehrreaktion - zum Beispiel die Zellatmung von Glukose in Kohlendioxid und Wasser - ist ein exergonischer Prozess.
Katalysatoren
Katalysatoren können die Aktivierungsenergiebarriere einer Reaktion reduzieren. Dazu stabilisieren sie die Zwischenstruktur zwischen dem Reaktanten und den Produktmolekülen und erleichtern so die Umwandlung. Grundsätzlich gibt der Katalysator den Reaktanten einen energiearmen "Tunnel", durch den sie hindurchtreten können, wodurch es einfacher wird, zur Produktseite der Aktivierungsenergiesperre zu gelangen. Es gibt viele Arten von Katalysatoren, aber einige der bekanntesten sind Enzyme, Katalysatoren der Biologie.
Reaktionsspontanität
Unabhängig von der Aktivierungsenergiebarriere treten spontan nur exergonische Reaktionen auf, da sie Energie abgeben. Dennoch müssen wir Muskeln aufbauen und unseren Körper reparieren, beides endergonische Prozesse. Wir können einen endergonischen Prozess vorantreiben, indem wir ihn mit einem exergonischen Prozess koppeln, der genügend Energie liefert, um die Energiedifferenz zwischen Reaktanten und Produkten auszugleichen.