Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Teilchen (Molekül, Atom, Elektron, usw.) aus einem bestimmten Energieniveau (getrennte Energie) in ein höheres Energieniveau zu überführen, in dem das Teilchen eine zuvor nicht gegebene „Aktivität“ erhält.

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Reaktionskinetik

Die physikalische Chemie versteht unter der Aktivierungsenergie die Energiebarriere, die vom Reaktionskomplex überwunden werden muß, damit eine Reaktion ablaufen kann. Beim Zusammentreffen der Reaktionspartner verbinden sich diese vorübergehend zum aktivierten Komplex (der Bereich des Maximums in der Graphik auf der linken Seite). Je höher die Temperatur des Reaktionssystems, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, daß die Reaktanden die benötigte Aktivierungsenergie bereitstellen und zum Produkt weiterreagieren können.

Der Zusammenhang zwischen Aktivierungsenergie und Temperatur wird quantitativ durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben:

Was die Aktivierungsenergie nicht ist

Bestimmte vereinfachende, aber falsche Annahmen werden gerne wiederholt. Entgegen diesen Annahmen ist die Aktivierungsenergie

• nicht die Energie, die (von außen) einer endothermen Reaktion zugeführt werden muss
• kein unmittelbares Maß für die absolute Reaktionsgeschwindigkeit
• nicht identisch mit der "Schwellenenergie" der klassischen Stoßtheorie

Tatsächlich beschreibt das Modell von Arrhenius die Vorgänge bei einer chemischen Reaktion nur unvollständig; der Faktor A ist eine rein empirische Größe, die ihrerseits wieder von der Temperatur abhängt. Für einige Reaktionen wurde eine negative Aktivierungsenergie gefunden, was physikalisch unmöglich scheint. Nach Eyring, (s.a. Theorie des Übergangszustandes) ist die Freie Aktivierungsenthalpie die bestimmende Größe für die Reaktionsgeschwindigkeit.

Katalyse

Ein (positiver) Katalysator setzt die Aktivierungsenergie für chemische Reaktionen herab, ändert jedoch nicht die freie Reaktionsenthalpie Δ_RG. Man nimmt an, dass bei Anwesenheit eines Katalysators ein Komplex mit niedrigerer Aktivierungsenergie gebildet wird und so die Reaktionswahrscheinlichkeit steigt.

Halbleiter

• Für einen undotierten Halbleiter ist es die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron bzw. ein Loch als freien Ladungsträger zu gewinnen. Dies ist identisch mit dem Bandabstand zwischen Valenzband und Leitungsband, der als Bandlücke bezeichnet wird. Dadurch werden in den Atomen zuvor fest gebundene Elektronen (Valenzband) in einen Zustand angehoben, in dem sie sich frei bewegen können (Leitungsband). Die Elektronen können damit zum Stromtransport im Halbleiter beitragen, gelten also als aktiviert. Die Aktivierungsenergie kann entweder mittels thermischer Energie oder Stößen mit Teilchen (z.B. Photonen) zugeführt werden (siehe Generation von Ladungsträgern).

• Für einen dotierten Halbleiter ist die Energie, um einen freien Ladungsträger zu erzeugen, weitaus geringer. Die Dotieratome bilden Energieniveaus in der Bandlücke. Die Aktivierungsenergie ist damit der Unterschied zwischen diesen Energieniveaus und dem nächstgelegenen Band. Für p-dotierte Halbleiter ist es damit der Unterschied zwischen Dotierniveau und Valenzband, für n-Halbleiter der Unterschied zwischen Dotierniveau und Leitungsband.

Siehe auch

• Zustandsdichte
• RGT-Regel

Literatur

• Kinetik (Chemie)#Literatur