Endotherme Reaktion

Grundidee

Eine endotherme Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Energie zugeführt werden muss, damit sie aufrechterhalten wird. Dabei nimmt das System Energie aus der Umgebung auf, zum Beispiel in Form von Wärme. Die Enthalpie H des Systems steigt; die Standardenthalpiedifferenz ΔH° ist positiv. Eine endotherme Reaktion ist damit das Gegenteil einer exothermen Reaktion.

Wenn die nötige Energie nicht weiter zugeführt wird, endet die Reaktion. Bei einer Gleichgewichtsreaktion kann sie dann auch in die entgegengesetzte Richtung verlaufen. Eine wichtige Ausnahme sind Reaktionen, die zwar endotherm sind, aber trotzdem exergon ablaufen: Sie haben eine positive Enthalpiedifferenz, aber wegen stark zunehmender Entropie eine negative freie Enthalpie G.

Ablauf und Energieprofil

Endotherme Reaktionen laufen wie exotherme Reaktionen in zwei Schritten ab. Zuerst muss eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden. Das ist die Energie, die nötig ist, um die Reaktion zu starten und den Übergangszustand des aktivierten Komplexes zu erreichen. Danach wird ein Teil dieser Energie wieder frei.

Der entscheidende Unterschied zur exothermen Reaktion ist: Bei einer endothermen Reaktion ist die freiwerdende Energie kleiner als die Aktivierungsenergie. Deshalb reicht sie nicht aus, um die Reaktion selbstständig weiter voranzutreiben. Die Reaktionsenergie ist positiv, also muss während der Reaktion fortlaufend Energie von außen zugeführt werden.

Im Enthalpieprofil beginnt die Reaktion bei den Edukten im stabilen Ausgangszustand. In der Mitte liegt der instabile Übergangszustand des aktivierten Komplexes. Am Ende stehen die Produkte in einem metastabilen Endzustand. Wichtige Größen sind H für die Enthalpie, Δ‡H für die Aktivierungsenthalpie und ΔR H für die Reaktionsenthalpie.

Entropie und Temperatur

Damit eine endotherme Reaktion überhaupt freiwillig stattfinden kann, also exergon ist, muss sie durch eine Zunahme der Entropie begünstigt sein. Entropie beschreibt hier vereinfacht, dass die Unordnung oder Zahl möglicher Zustände zunimmt. Dadurch kann die freie Enthalpie negativ werden.

Endotherme Reaktionen treten daher häufig bei hohen Temperaturen auf. Nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung wird bei hohen Temperaturen der Entropieanteil der freien Enthalpie größer. Ein Beispiel ist das Boudouard-Gleichgewicht: Bei hohen Temperaturen läuft dort die endotherme Reaktion zu Kohlenstoffmonoxid ab.

Typische Beispiele

Ein bekanntes Beispiel für eine endotherme chemische Reaktion ist die Photosynthese in Pflanzen. Auch die Reaktion von Kohlenstoff mit Wasserdampf ist endotherm: C + H2O → CO + H2. Im Artikel wird sie als Reaktion beschrieben, die stattfindet, wenn man einer Koksschicht Wasserdampf zuführt.

Nicht jede endotherme Veränderung ist eine chemische Reaktion. Das Schmelzen von Eis und das Verdunsten von Wasser verlaufen ebenfalls endotherm, weil Energie aufgenommen wird. Sie sind aber physikalische Änderungen des Aggregatzustands und keine chemischen Reaktionen.

Industrielle und physikalische Verwendung

In der industriellen Chemie werden endotherme Reaktionen als allotherm bezeichnet. Dabei muss Wärme oder Energie von außen zugeführt werden. Wichtige Beispiele sind allotherme Pyrolysen, bei denen Biomasse durch äußere Wärme gespalten wird, und die Dampfreformierung bei der Herstellung von Synthesegas. Der Gegensatz dazu sind im industriellen Sprachgebrauch autotherme Reaktionen.

Auch in der Physik wird der Begriff entsprechend verwendet. Eine Kernreaktion heißt endotherm, wenn sie nur mit äußerer Energiezufuhr ablaufen kann. Diese Energie kann als kinetische Energie der anfänglichen Reaktionspartner vorliegen, zum Beispiel wenn sie in einem Teilchenbeschleuniger beschleunigt wurden. Eine weitere Möglichkeit ist Heizung auf hohe Temperatur, etwa bei der thermonuklearen Kernfusion.