Einstieg in die Physikalische Chemie für Nebenfächler

Die Änderung der physikalischen Eigenschaften von Stoffen oder der Ablauf chemischer Reaktionen wird meist in räumlich abgegrenzten Bereichen der realen Welt untersucht. Das Becherglas, das Reagenzglas, der Druckbehälter können z. B. die sichtbare Begrenzung eines solchen Bereichs, den wir künftig als System bezeichnen werden, bilden. Alles, was außerhalb der realen oder gedachten Begrenzung des Systems liegt, bezeichnet man als dessen Umgebung.

Der Begriff Thermodynamik ist von den griechischen Wörtern thermos (Wärme) und dynamos (Kraft) abgeleitet. Er steht für das Teilgebiet der Physik (Wärmelehre), das sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen befasst. Die chemische Thermodynamik hat den Energieumsatz bei chemischen Reaktionen zum Gegenstand. Die untersuchten Reaktionen laufen dabei in definierten Systemen ab. Der Systembegriff wurde bereits in Kapitel I (Heterogene Gleichgewichte) eingeführt. Systeme sind danach abgegrenzte Bereiche der objektiven Realität, die mit den Bereichen außerhalb der Systemgrenzen (Umgebung) in Beziehung stehen. Wir erinnern uns, dass bei offenen Systemen sowohl Energie- als auch Stoffaustausch mit der Umgebung stattfinden kann, dass bei geschlossenen Systemen nur der Energieaustausch mit der Umgebung erlaubt ist und dass abgeschlossene Systeme weder Stoff noch Energie mit ihrer Umgebung austauschen. Zur Charakterisierung der Systeme verwendet man makroskopische Größen wie Druck, Temperatur, Stoffmenge, Volumen, Innere Energie u. a., die sogenannten Zustandsgrößen. Ihre Werte sind durch den Zustand des Systems eindeutig bestimmt. Von den Zustandsgrößen muss sich mindestens eine ändern, wenn das System vom Zustand Z1 in den Zustand Z2 überführt wird. Zustandsänderungen sind damit durch Änderung von Zustandsgrößen beschreibbar. Allerdings sagen die Zustandsgrößen nichts über den Weg der Zustandsänderung aus. Man kann z. B. nicht erkennen, ob die Zustandsänderung durch verrichtete Arbeit oder durch Wärmeübertragung erreicht wurde. Größen wie Wärme oder Arbeit, die den Prozess der Zustandsänderung beschreiben, aber nicht zur Charakterisierung des Zustandes dienen, bezeichnet man als Prozessgrößen.

Bei der Untersuchung chemischer Reaktionen interessiert zunächst, welche Reaktionsprodukte aus gegebenen Ausgangsstoffen gebildet werden können. Wichtig sind weiterhin Angaben zum möglichen Grad der Umsetzung der Ausgangsstoffe und zur Energiebilanz einer Reaktion. Damit sind aber noch keine Aussagen über den zeitlichen Ablauf der Stoffumwandlung getroffen. Wem nützen chemische Reaktionen, die von vorhandenen Ausgangsstoffen zu gewünschten Reaktionsprodukten nahezu vollständig unter Freisetzung von Energie ablaufen, wenn die notwendige Zeit unendlich groß ist? Die auf die Zeiteinheit bezogene Stoffumsetzung ist eine wichtige Größe zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit chemischer Reaktionen. Bestrebungen, chemische Reaktionen zu beschleunigen (manchmal auch zu verzögern) und damit die Effektivität und Rentabilität eines Verfahrens zu erhöhen, standen am Beginn der Entwicklung der chemischen Kinetik. Die Reaktionskinetik untersucht den zeitlichen Verlauf chemischer Reaktionen und Möglichkeiten, diesen zu verändern. Daraus leiten sich wichtige Fragen ab:

Es war eine Reihe experimenteller Befunde, die zur Entwicklung dieses Teilgebietes der Physikalischen Chemie und auch zu seiner Unterteilung führte. Die Liste der Namen, die mit den Experimenten verknüpft sind, liest sich nicht nur wie eine Zeittafel der Geschichte der Elektrizitätslehre, sondern auch der Physikalischen Chemie selbst.