Ein Kriterium für die Einteilung von chemischen Reaktionen ist der Energieeffekt. Dementsprechend kann man Energiereaktionen unterscheiden, die die Zufuhr von Energie erfordern - endoenergetische Reaktionen. Die Kenntnis des Mechanismus solch einer Reaktionen ermöglicht nicht nur ein besseres Verständnis der uns umgebenden Realität, sondern auch die Verbesserung und Weiterentwicklung einer Reihe von verschiedenen Bereichen.
Endotherme Reaktion in alle Einzelteile zerlegt
Wir sind uns nicht immer bewusst, wie viele verschiedene chemische Reaktionen es in der uns umgebenden Realität gibt. Einige davon sind endothermische Reaktionen. Um sie auszuführen, muss eine ausreichende Menge an Energie, meist in Form von Wärme, zugeführt werden. Endotherme Reaktionen laufen also nicht spontan ab, sondern können durch Zufuhr von Energie in das System ausgelöst werden.
Endotherme Reaktionen werden oft auch als endoenergetische Reaktionen bezeichnet. Dabei ändert sich die Enthalpie des Systems (letztendlich hat die Enthalpie der Reaktionsprodukte einen höheren Wert als die Enthalpie der Substrate). Die Temperatur des Systems wird häufig gesenkt. Dieses Phänomen lässt sich leicht beobachten, zum Beispiel durch die Herstellung so genannter Kältemischungen. Dabei handelt es sich um Mischungen bestimmter Stoffe (mit dem richtigen Massenverhältnis), die bei der Bildung einer Lösung Energie aus der Umgebung absorbieren und einen Temperaturabfall verursachen. Ein Beispiel für eine Kältemischung ist die Kombination von Wasser und Ammoniumchlorid im Verhältnis 10:3.
Endotherme Reaktion vs. exotherme Reaktion
Endotherme Reaktionen und exotherme Reaktionen (jeweils endoenergetisch und exoenergetisch) sind zwei Arten von Reaktionen, bei denen es zu einer Änderung der Energie des Systems kommt. Im Gegensatz zu endothermen Prozessen wird bei exothermen Reaktionen Energie in Form von Wärme aus dem System freigesetzt. Exotherme Reaktionen können spontan auftreten. Sie sind durch eine Abnahme der Enthalpie aufgrund von Wärmeverlusten an die Umgebung gekennzeichnet. Ein klassisches Beispiel für eine exotherme Reaktion ist die Verbrennung, z.B. von Gas in einem Gasherd, oder die Anwendung eines exothermen Prozesses in kleinen Gelheizern.
Endotherme Reaktion – Beispiele
Die Photosynthese
Die Photosynthese ist ein hervorragendes Beispiel für eine endotherme Reaktion in unserem täglichen Leben. Sie gehört zu den wichtigsten biochemischen Umwandlungsprozessen auf der Erde. Dieser Prozess liefert sowohl Sauerstoff als auch organische Verbindungen, die eine Energiequelle für Tiere und Menschen darstellen. Vereinfacht gesagt ist die Photosynthese ein Prozess, bei dem Wasser und Kohlendioxid in Sauerstoff und Glukose umgewandelt werden. Diese Reaktion findet unter Beteiligung von Energie in Form von Licht statt. Dem Reaktionssystem wird Lichtenergie zugeführt, was ein charakteristisches Element der endothermen Reaktion ist. Ohne die Zufuhr von Energie von der Sonne kann die Photosynthese nicht durchgeführt werden.
Das Schmelzen des Eises
Das Schmelzen von Eis, d.h. der Übergang der Wassermoleküle vom festen Zustand (Eis) in den flüssigen Zustand (flüssiges Wasser), ist ein Beispiel für eine Phasenumwandlung. Von der energetischen Wirkung her handelt es sich um eine endotherme Umwandlung, d.h. um eine Umwandlung, bei der der Umwelt Energie entzogen wird. Energie von außen (in diesem Fall eine Temperatur über 0ᵒC) ist unerlässlich, um das Phänomen des Schmelzens auszulösen.
Sublimation von festem Kohlendioxid
Die Sublimation ist, wie das Schmelzen, eine Phasenumwandlung. Bei der Sublimation wird ein Übergang des Feststoffs direkt in den Dampfzustand (unter Umgehung der flüssigen Phase) beobachtet. Die Sublimation von festem Kohlendioxid (gemeinhin als Trockeneis bezeichnet) erfolgt nach einem endoenergetischen Umwandlungsmechanismus. Bei der Sublimation von Trockeneis, d.h. seinem direkten Übergang in gasförmiges Kohlendioxid, wird eine große Menge an Energie aus der Umgebung absorbiert.
Kuchen backen
Die Herstellung hausgemachter Backwaren kann eine hervorragende Gelegenheit sein, die dort stattfindende endotherme Reaktion zu beobachten. Eine der Zutaten eines typischen Kuchens, nämlich Backpulver, besteht nämlich unter anderem aus Ammoniumbicarbonat. Wenn wir den Teig in den Ofen geben, geben wir ihm Wärme. Unter seinem Einfluss beginnt das Calciumbicarbonat in gasförmige Bestandteile zu zerfallen und lockert so unser Backprodukt auf. Bei dieser Reaktion ist die Enthalpieänderung positiv, es handelt sich also um eine endotherme Umwandlung.
Endotherme Reaktionen in industriellen Prozessen
Gewinnung von Wasserstoff
Wasserstoff wird oft als der Kraftstoff der Zukunft bezeichnet. Darin steckt viel Wahrheit. Heute wird es im industriellen Maßstab durch Dampfreformierung von Methan gewonnen. Bei der Dampfreformierung von Methan wird dieser Rohstoff mit Wasserdampf umgesetzt. Dies ist eine stark endotherme Reaktion, die bei hohen Temperaturen von 650 – 900ᵒC abläuft. Bei diesem Verfahren entsteht ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das so genannte Synthesegas. Daraus kann mit Hilfe des Verfahrens PSA (engl. Pressure Swing Adsorption), d.h. der Druckwechseladsorption Wasserstoff extrahiert werden.
Herstellung von Branntkalk
In der Industrie wird Branntkalk oder Calcium(II)-oxid durch Brennen von Kalkstein (Calciumcarbonat) gewonnen. Dies ist eine reversible und endotherme Reaktion. Beim Brennen (thermische Dissoziation) von Kalkstein in Schachtöfen entsteht nicht nur Branntkalk, sondern auch Kohlendioxid. Beide Produkte werden z.B. in Sodawerken verwendet. Kohlendioxid wird benötigt, um die Sole zu karbonisieren, während Branntkalk zur Herstellung von Kalziumhydroxid verwendet wird, das dann zur Reinigung der Sole eingesetzt wird.