Markus Oppel und Leticia González

Moleküle im Gebirge

Atome, Moleküle, Teilchenbewegung, Potentialenergieflächen
Den Verlauf einer chemischen Reaktion vom Reaktand über einen Übergangszustand bis hin zu den Produkten kann man sich wie eine Wanderung im Gebirge vorstellen. Die Höhe, auf der man sich befindet, entspricht der potentiellen Energie. Der bevorzugte Weg wird in der Regel dem Pfad der jeweils niedrigsten Energie folgen. , © Zeichnung: J. Mörschbach in Anlehnung an google.maps.com

Markus Oppel und Leticia González

Wie sich Atome in einem Molekül bewegen und wie man sie bei chemischen Reaktionen beobachten kann

„All things are made of atoms little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another.[1] dieser berühmte Satz vom Physiknobelpreisträger Richard Feynman fasst unser naturwissenschaftliches Verständnis der uns umgebenden Materie prägnant zusammen. Chemie ist die Wissenschaft der Verwandlung eines Stoffes in einen anderen. Nach Feynman bedeutet also eine Stoffumwandlung, dass einige Atome, Ionen oder Moleküle sich voneinander wegbewegen und andere sich einander annähern. Um also chemische Reaktionen zu verstehen, müssen wir uns mit folgenden Fragen beschäftigen: Wie bewegen sich die Atome in einem Molekül? Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich Atome? Wie kann man die Bewegung der Atome in einem Molekül oder in einer chemischen Reaktion sichtbar machen?
Wie bewegen sich Atome im Molekül? Potentialenergieflächen
Wie jeder Körper, unterliegen auch die Atome in einem Molekül dem Einfluss zweier Energien: Die kinetische Energie bewirkt im Wesentlichen kleine, zitterhafte Bewegungen um einen Ruhepunkt, dem sogenannten Gleichgewichtszustand. Die Potentielle Energie wiederum bestimmt, wie dieser Gleichgewichtszustand ausschaut. Betrachtet man die Änderung der Potentiellen Energie während einer chemischen Reaktion, so spricht man auch von Potentialenergieflächen. Den Verlauf einer Reaktion kann man mit einer Wanderung im Gebirge vergleichen (Abb.1). Will man von einem Tal in ein anderes wandern, so wird man sicher nicht über den höchsten Gipfel gehen, sondern sich einen möglichst niedrigen Pass suchen. Völlig analog wird sich eine chemische Reaktion den Weg der geringsten Potentiellen Energie zwischen Edukt und Reaktionsprodukt suchen. Der Punkt der höchsten Potentiellen Energie wird dabei auch Übergangszustand genannt. Seine Höhe, sprich sein Energiegehalt, relativ zum Ausgangszustand, beeinflusst die Geschwindigkeit der Reaktion. Im Unterschied zur Wanderung im Gebirge, bei der man im Wesentlichen zwei sogenannte unabhängige Koordinaten hat, nämlich die Ost-West- und Nord-Süd-Richtung, gibt es bei chemischen Reaktionen naturgemäß viel mehr Möglichkeiten, wie sich die einzelnen Atome oder Moleküle relativ zueinander bewegen. Topologisch bekommt man daher ein multidimensionales Gebilde, man spricht in diesem Fall auch von (Potentialenergie-)Hyperflächen.
Photochemische Reaktionen
Im Unterschied zu einer Wanderung im Gebirge haben Moleküle allerdings noch eine andere Möglichkeit, von A nach B zu kommen. Sie können zum Beispiel nach einer Anregung durch Licht auf eine andere Potentialener-giefläche wechseln. Dabei nimmt das Molekül die Energie des Lichts auf, es erreicht also einen Zustand höherer Potentieller Energie. Die Topologie der neuen Potentialenergiefläche wird sich in der Regel wesentlich von der des Grundzustandes unterscheiden. War das Molekül im Grundzustand in einem Minimum (in einem Tal, um beim Bild der Gebirgswanderung zu bleiben), wird es sich auf der neuen Potentialenergiefläche plötzlich mitten in der Flanke eines Berges wiederfinden und anfangen, diese Flanke entlang zu rutschen, bis es sich wieder in einem Minimum (Tal) der energetisch höherliegenden Potentialenergiefläche befindet. Man kann also mit Hilfe von Licht (in welcher Form auch immer, Sonnenlicht, Licht aus einer Laserquelle, etc.) den Verlauf von chemischen Reaktionen beeinflussen, völlig neue Reaktionswege eröffnen oder manchmal auch ganz simpel die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich Atome? Femtosekunden
Die nächste Frage ist die nach der Geschwindigkeit, mit der sich Atome in einem Molekül bewegen. Sicherlich nicht mit 6 km/h, um beim Bild der Gebirgswanderung zu bleiben. Tatsächlich kann man aus verschiedenen Experimenten...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 160 / 2017

Reaktionsprozesse

Friedrich+ Kennzeichnung Methode & Didaktik Schuljahr 5-12