Eine Zersetzungsreaktion ist eine Art chemischer Reaktion, bei der eine Verbindung in einfachere Bestandteile zerlegt wird. Es ist das Gegenteil der chemischen Synthese, bei der sich Elemente oder relativ einfache Verbindungen zu einem komplexeren verbinden. Da eine Zersetzungsreaktion das Aufbrechen chemischer Bindungen beinhaltet, erfordert sie die Zufuhr von Energie; dies kann von Hitze, elektrischem Strom oder anderen Quellen herrühren. Manchmal beschleunigt ein Katalysator die Reaktion oder lässt sie bei einer niedrigeren Temperatur ablaufen. Diese Reaktionen werden industriell bei der Herstellung einiger Elemente – insbesondere reaktiver Metalle – und im Labor zur Analyse von Proben verwendet.
Zersetzung durch Hitze
Wärme wird üblicherweise verwendet, um eine Zersetzungsreaktion herbeizuführen. Wenn sich eine Verbindung erwärmt, bewegen sich ihre Atome stärker, und diese Bewegung kann chemische Bindungen aufbrechen. Wird beispielsweise Calciumcarbonat (CaCO3) stark erhitzt, zerfällt es in Calciumoxid (CaO) und Kohlendioxid (CO2). Die Temperatur, die erforderlich ist, um eine Verbindung zu zersetzen, hängt von der Stärke der Bindungen ab, die sie zusammenhalten. In diesem Beispiel verliert Calciumcarbonat ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome als CO2, aber das Calcium hält an einem Sauerstoffatom fest, da die Calcium-Sauerstoff-Bindung sehr stark ist und durch Erhitzen auf eine leicht erreichbare Temperatur nicht gebrochen werden kann.
Die reaktiveren Elemente neigen dazu, stärkere Bindungen zu bilden und sind daher schwieriger von ihren Verbindungen zu trennen. Im Gegensatz zum obigen Beispiel können die Oxide weniger reaktiver Metalle wie Silber und Quecksilber durch relativ mäßiges Erhitzen zersetzt werden, wobei Sauerstoff freigesetzt wird und das reine Metall zurückbleibt. Hochreaktive Metalle wie Natrium und Kalium können durch Erhitzen allein nicht von ihren Verbindungen getrennt werden.
Elektrolyse
Im flüssigen Zustand können Elemente durch Anlegen eines elektrischen Gleichstroms in einem als Elektrolyse bekannten Verfahren von einer Verbindung getrennt werden. Der Strom fließt durch Elektroden, die in der Flüssigkeit platziert sind. Negativ geladene Elektronen fließen in eine Elektrode, die sogenannte Kathode, und aus der anderen, die sogenannte Anode, heraus. Die Kathode ist daher negativ und die Anode positiv geladen. Ionen in der Flüssigkeit bewegen sich in Richtung der entgegengesetzt geladenen Elektrode, wodurch der Strom fließen kann.
Ein Beispiel ist die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse. Reines Wasser ist ein sehr schlechter Leiter, aber schon die Einführung einer sehr geringen Menge einer ionischen Verbindung wie Natriumsulfat verbessert seine Leitfähigkeit stark und ermöglicht die Elektrolyse. An der Kathode wird Wasser (H2O) in Wasserstoffgas (H2) und Hydroxid (OH-)-Ionen gespalten, die von der positiv geladenen Anode angezogen werden. An der Anode wird Wasser in Sauerstoffgas und Wasserstoffionen (H+) gespalten, die von der Kathode angezogen werden.
Andere Faktoren
Bei einigen Verbindungen ist die für die Zersetzung benötigte Energie gering und kann durch einen kleinen Stoß, beispielsweise einen physikalischen Aufprall, zugeführt werden. Eine dieser Verbindungen ist Bleiazid (Pb(N3)2), das sich bei einem relativ kleinen Aufprall explosionsartig in Blei- und Stickstoffgas zersetzt. Natriumazid ist eine ähnliche, aber etwas weniger empfindliche Verbindung, die verwendet wird, um Auto-Airbags bei einer Kollision aufzublasen.
Licht kann die Zersetzung einiger Verbindungen verursachen. Beispielsweise wird Silberchlorid bei Lichteinwirkung in Silber und Chlorgas umgewandelt. Dieses Phänomen war entscheidend für die Entwicklung der Fotografie.
Katalysatoren
In vielen Fällen kann eine Zersetzungsreaktion durch die Verwendung eines Katalysators ausgelöst oder beschleunigt werden. Diese Stoffe nehmen nicht an der Reaktion teil und werden daher von ihr nicht verändert, aber sie fördern die Reaktion. Ein gutes Beispiel ist die Zersetzung verdünnter Lösungen von Wasserstoffperoxid (H2O2) in Wasser und Sauerstoff. Diese Reaktion kann durch Zugabe von pulverisiertem Mangandioxid gefördert werden, das als Katalysator zur Erzeugung von Sauerstoffgas wirkt.
Verwendung
Die thermische Zersetzung wird bei der industriellen Herstellung von Branntkalk für die Zementherstellung und verschiedene andere Zwecke verwendet. Die Elektrolyse wird bei der Herstellung von reaktiven Metallen verwendet. Natrium wird beispielsweise durch Elektrolyse von geschmolzenem Salz (Natriumchlorid) hergestellt. Dabei entsteht auch Chlorgas, das viele industrielle Anwendungen hat, obwohl das meiste Chlor durch die Elektrolyse von Salzlösungen in Wasser hergestellt wird. Zersetzungsreaktionen mit Elektrolyse werden auch zur Herstellung des extrem reaktiven Elements Fluor und zur „sauberen“ Erzeugung von Wasserstoff als Kraftstoff genutzt.
Es gibt einige wissenschaftliche Anwendungen, die auf Zersetzungsreaktionen angewiesen sind, um Materialien zu analysieren. Bei der Massenspektrometrie wird beispielsweise eine kleine Probe des interessierenden Materials in Ionen aufgespalten, die nach Ladung und Masse getrennt werden. Anschließend kann die Zusammensetzung des Materials bestimmt werden.