7.7: Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie stellt die minimale Energiemenge dar, welche für den Ablauf einer chemischen Reaktion benötigt wird. Je höher die Aktivierungsenergie, desto langsamer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Durch die Zufuhr von Wärme zur Reaktion wird die Geschwindigkeit erhöht, da sich die Moleküle nun schneller bewegen und somit die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Moleküle miteinander kollidieren. Die Kollisionen und das Aufbrechen von Bindungen stellt die Anstiegsphase einer Reaktion dar und erzeugt den Übergangszustand. Der Übergangszustand ist ein instabiler hochenergetischer Zustand der Edukte. Die Bildung neuer chemischer Bindungen und der Endprodukte sowie die Freisetzung freier Energie ist die abfallende Reaktionsphase. Katalysatoren erhöhen die Geschwindigkeit einer Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Zum Beispiel erhöhen Enzyme die Geschwindigkeit des Abbaus von Nährstoffen wie Zucker und Fetten. Gleichzeitig verhindern sie eine Überproduktion freier Energie, die sonst Proteine in der Zelle denaturieren würde.

Katalysatoren

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer Reaktion durch Senkung der Aktivierungsenergie erhöht und sich dabei selbst wieder regeneriert. Ein Katalysator stellt einen alternativen Weg oder Mechanismus für eine Reaktion zur Verfügung und beschleunigt sowohl die Vorwärts-als auch die Umkehrreaktion. In der Biologie sind Enzyme Beispiele für Katalysatoren. Sie senken die Aktivierungsenergie für Reaktionen, die im Zellstoffwechsel benötigt werden.

Zum Beispiel verstoffwechselt der Mensch Zucker und Fett zu Energie. Enzyme sind für den Menschen zum Abbau dieser Moleküle lebensnotwendig. Würde sich der Körper alleine Wärmeenergie zunutze machen, würde die, in Form von Wärme freigesetzte, freie Energie die Proteine in der Zelle denaturieren. Außerdem würde die Wärmeenergie unspezifisch alle Reaktionen katalysieren. Enzyme binden jedoch nur an bestimmte chemische Reaktionspartner, sogenannte Substrate. Ihre Aktivierungsenergie wird gesenkt, um spezifische zelluläre Reaktionen zu katalysieren.

Aktivierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um eine chemische Reaktion zwischen den vorhandenen Reaktanten auszulösen. Die Quelle wird häufig durch Wärmeenergie gespeist, wodurch sich Moleküle schneller bewegen und miteinander kollidieren und die Bindungen der Reaktanten aufbrechen. Somit benötigten die ursprünglichen Reaktanten freie Energie, damit die Reaktion ablief, dargestellt als der ansteigende Teil dieser Kurve, dies ist die Menge an Aktivierungsenergie für die Reaktion.

Auf dem Höhepunkt, der als Übergangszustand bekannt ist, befinden sich die ungebundenen Moleküle jetzt in einem instabilen Zustand. Wenn sich Atome mit neuen Bindungen verbinden, geben sie freie Energie an die Umgebung ab, was als abschüssiger Teil der Reaktion dargestellt wird. Während der Mensch Zucker und Fett zu Energie umwandelt, würde beim Abbau dieser Moleküle durch thermische Energie so viel freie Energie als Wärme freigesetzt, dass die Proteine in der Zelle denaturieren würden. Stattdessen werden gezielt als Katalysatoren bekannte Substanzen zugesetzt, um die Stoffwechselrate zu regulieren, beispielsweise um sie zu beschleunigen. Beispielsweise senkt ein biologischer Katalysator, ein Enzym, die Aktivierungsenergie, die zum Aufbrechen von Bindungen erforderlich ist und ermöglicht das Auftreten von Reaktionen mit angemessenen Raten ohne Zellschädigung.