Chemische Stabilität

Grundbegriffe der chemischen Stabilität

Chemische Stabilität bezeichnet die thermodynamische Stabilität eines chemischen Systems, besonders einer chemischen Verbindung. Ein Zustand gilt als stabil, wenn er „beliebig lange“ unverändert bestehen kann. Thermodynamisch stabil ist ein System, wenn es sich im Zustand niedrigster Energie oder im chemischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet. Dabei kann es auch ein Fließgleichgewicht geben.

Ein Zustand A ist thermodynamisch stabiler als ein Zustand B, wenn die freie Standardenthalpie beim Wechsel von A nach B positiv ist. Instabile Zustände wandeln sich kontinuierlich in Zustände mit geringerem Gehalt an freier Energie oder höherer Entropie um. Messbare Reaktionen bei konstanter Temperatur und konstantem Druck sind typische Anzeichen für Instabilität.

Stabile, metastabile und scheinbar stabile Zustände

Metastabile Zustände können zwar längere Zeit bestehen, sind aber nicht wirklich stabil. Sie können sich in einen Zustand mit niedrigerem Energiegehalt umwandeln. Als quasistabil bezeichnet man instabile Zustände, in denen gleichzeitig eine Hin- und eine Rückreaktion stattfinden können, weil beide Zustände die gleiche freie Energie besitzen.

Pseudostabile Zustände wirken äußerlich wie ein Gleichgewicht mit sich selbst oder der Umgebung. Tatsächlich laufen jedoch sehr langsame, kaum merkliche Umwandlungen zu Zuständen mit geringerem Gehalt an freier Energie ab. Solche Zustände sind häufig thermolabil, also durch Temperaturveränderungen leicht beeinflussbar. Beispiele sind lyophobe Kolloide, die langsam koagulieren, sowie die äußerst langsame Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff bei Zimmertemperatur. Auch metastabile Zustände werden zu den scheinbar stabilen Gleichgewichtszuständen gezählt.

Chemisches Gleichgewicht und Einfluss von Katalysatoren

Chemische Reaktionen in homogener Phase laufen nie vollständig ab. Sie enden in einem Gleichgewichtszustand, in dem neben dem Reaktionsprodukt auch ein Teil der Reaktanden, also der Ausgangsstoffe, vorhanden bleibt. Derselbe Endzustand entsteht, wenn man vom Reaktionsprodukt ausgeht und es bei gleichem Druck und gleicher Temperatur den Bedingungen der Bildungsreaktion aussetzt. Chemische Gleichgewichte sind deshalb in allen Bereichen der Chemie wichtig. Werden die Ausgangsstoffe in einer solchen Situation kontinuierlich entfernt, findet eine Zersetzung statt.

Katalysatoren können einen metastabilen Zustand in einen instabilen überführen oder die Reaktionsgeschwindigkeit verändern. Sie verschieben jedoch nicht die Lage des chemischen Gleichgewichts. Stabilisatoren können dagegen bei unbeständigen Verbindungen chemische Veränderungen wie Zersetzung oder Oxidation verhindern. Dadurch entsteht ein stabilisiertes, aber nicht stabiles System: Fällt der Stabilisator weg, bricht das System zusammen.

Beispiele und praktische Bedeutung

Als chemisch stabil oder inert gelten beispielsweise Glas, Edelgase und Edelmetalle. Diese Einordnung hängt jedoch von den vorhandenen Bedingungen und Stoffen ab; Glas und Edelmetalle können etwa von bestimmten Säuren angegriffen werden. Explosivstoffe und Radikale sind Beispiele für instabile Stoffe.

Bei Arzneistoffen, Pflanzenschutzmitteln und Umweltgiften sind besonders die Halbwertszeit und der Metabolismus entscheidend. Die Halbwertszeit beschreibt dabei die für den Abbau relevante zeitliche Beständigkeit, während der Metabolismus den Abbau der Verbindung bezeichnet.

Nach REACH muss in Sicherheitsdatenblättern angegeben werden, ob ein Stoff oder Gemisch unter normalen Umgebungsbedingungen sowie unter den bei Lagerung und Handhabung zu erwartenden Temperatur- und Druckbedingungen stabil oder instabil ist. Außerdem muss beschrieben werden, welche Bedeutung mögliche Änderungen des physikalischen Erscheinungsbildes für die Sicherheit haben.