Da über den Energieumsatz bei chemischen Vorgängen vielfach etwas
unklare Vorstellungen verbreitet sind, so wird es zweckmäßig sein,
zunächst überhaupt erst einen Blick auf die allgemeinen Tatsachen des
Energiewechsels bei chemischen Umsetzungen zu werfen.
Unter chemischer Energie verstehen wir die Arbeitsleistungen der
Atome. Die chemische Energie besitzt in der chemischen Affinität ihren
Intensitätsfaktor. Jedes Atom, wenn wir es uns einmal isoliert denken
wollen, repräsentiert demnach ein kleines energetisches System, ein
Energiemagazin. Die chemische Energie eines isoliert gedachten Atoms
wäre potentiell, solange das Atom nicht Gelegenheit hätte, durch seine
Affinität ein anderes Atom an sich zu binden. Sobald sich aber zwei
Atome miteinander verbinden, geht ein der Stärke ihrer Affinität
entsprechender Teil von potentieller Energie in aktuelle Energie über,
die in Gestalt von Wärme, Licht, mechanischer Energie etc. frei wird.
Da ferner die chemische Affinität eines Atoms zu verschiedenartigen
anderen Atomen sehr verschieden groß ist, so wird um so mehr Energie
frei werden, je stärker die Affinitäten sind, die gebunden werden. Eine
chemische Verbindung muß also um so weniger frei verfügbare potentielle
Energie enthalten, je stärker die Affinitäten sind, welche ihre Atome
zusammengeführt haben. Umgekehrt: Sollen zwei miteinander verbundene
Atome getrennt werden, so wird dazu eine gewisse Menge Energie
gebraucht, und diese selbe Menge von aktueller Energie, welche jetzt
verbraucht wird, um die Atome zu trennen, erscheint nach der Spaltung
wieder in Form von potentieller chemischer Energie, meßbar durch die
freigewordenen Affinitäten der Atome.
Ein Beispiel wird das Verhältnis noch anschaulicher machen. Haben
wir über einer Quecksilberwanne einen starken Glaszylinder, der in
einem kleinen vom Quecksilber freigelassenen Raume ein Gasgemisch aus
zwei Dritteilen Wasserstoff und einem Dritteil Sauerstoff enthält,
so haben wir ein Gemisch von Molekülen, deren Atome große Mengen
potentieller Energie in Form von chemischen Affinitäten zueinander
beherbergen. Stellen wir nun die Bedingungen her, daß sich die
Sauerstoff- und Wasserstoffatome miteinander vereinigen können, so
stürzen sie gierig aufeinander los, ziehen sich an und geben ihren
gesamten Vorrat an potentieller Energie in Form von Wärme, Licht und
mechanischer Energie nach außen ab. Es entsteht eine Flamme, der
Zylinder wird stark erwärmt, und das Quecksilber wird mit Gewalt nach
unten getrieben, steigt aber bald wieder höher und höher, denn der
aus der Vereinigung von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen entstehende
Wasserdampf verdichtet sich mit zunehmender Abkühlung zu tropfbarem
Wasser, das schließlich nur einen winzigen Raum im Zylinder einnimmt.
So ist bei der Synthese des Wassers aus Wasserstoff und Sauerstoff die
potentielle Energie der chemischen Affinitäten in aktuelle Energie
umgesetzt und als Wärme, Licht etc. frei geworden. Das Wassermolekül
hat also diese genau bestimmbare Energiemenge an die Umgebung verloren.
Umgekehrt können wir die Atome des Wassers wieder voneinander trennen
in Wasserstoff- und Sauerstoffatome, wenn wir dieselbe Energiemenge
von außen her wieder zuführen. Am besten eignet sich dazu die Form
der elektrischen Energie. Leiten wir einen elektrischen Strom
durch das Wasser, so werden in demselben Maße, wie die elektrische
Energie verschwindet, an den Polen der Drähte Wasserstoff- und
Sauerstoffatome frei. Es wird also Energie verbraucht, um die Atome des
Wassermoleküls voneinander zu spalten, aber diese Energie erscheint
in den freiwerdenden Atomen als potentielle chemische Energie wieder,
denn wenn wir den freiwerdenden Sauerstoff und Wasserstoff wieder
zur Vereinigung bringen, dann gewinnen wir dadurch von neuem wieder
aktuelle Energie usf.
Diese Betrachtung ist sehr wichtig, denn es ergibt sich daraus ein Satz
von weittragender Bedeutung, der meist nicht klar genug formuliert
wird, nämlich der Satz: +Bei der Verbindung von Atomen wird aktuelle
Energie frei, zur Trennung von Atomen dagegen wird aktuelle Energie
verbraucht.+
Dieser Satz, der eine notwendige Konsequenz aus dem Gesetz von der
Erhaltung der Energie vorstellt, muß als Grundsatz für alle chemischen
Umsetzungen betrachtet werden und bildet auch den Ausgangspunkt für das
Verständnis aller Energieumsetzungen im lebendigen Organismus. Daß er
in der Regel nicht mit genügender Klarheit hingestellt und angewendet
worden ist, liegt vielleicht an der Tatsache, daß er in gewissen Fällen
auf den ersten Blick scheinbar eine Ausnahme erleidet. Es ist zur
Klarstellung dieser Verhältnisse nicht überflüssig, wenigstens kurz
darauf einzugehen.
Wenn wir die Energie, die bei einem chemischen Prozeß umgesetzt wird,
im Wärmemaß ausdrücken[206], so haben wir Prozesse, bei denen Wärme
frei wird, und Prozesse, bei denen Wärme verbraucht wird. Nach der
Ausdrucksweise der „Thermochemie“ bezeichnen wir die Produktion von
Wärme bei einem chemischen Prozeß als „+positive Wärmetönung+“, den
Verbrauch von Wärme dagegen als „+negative Wärmetönung+“. Nach unserer
eben angestellten Betrachtung sollten wir also erwarten, daß alle
synthetischen Prozesse, d. h. alle Prozesse, bei denen sich Körper
miteinander verbinden, unter positiver Wärmetönung verlaufen, denn
es werden ja bei jeder Synthese Atome verbunden, und bei Verbindung
von Atomen wird Energie frei; umgekehrt wäre zu erwarten, daß alle
Spaltungsprozesse, d. h. alle Prozesse, bei denen verbundene Atome
getrennt werden, mit negativer Wärmetönung einhergehen. Das ist, wenn
man die Begriffe Synthese und Spaltung in ihrer reinen Bedeutung
anwendet, auch immer der Fall. Dennoch scheint es auf den ersten
Blick gewisse Ausnahmen von dieser Regel zu geben. Es sind nämlich
einerseits einige Synthesen in der Chemie bekannt, die wie z. B.
die Synthese von Jodwasserstoff, mit Wärmeverbrauch verbunden sind,
andererseits gibt es viele Spaltungen, namentlich komplizierterer
Verbindungen, wie etwa des Nitroglyzerins oder anderer explosibler
Stoffe, bei denen eine gewaltige Energieproduktion stattfindet. Das
sind unbestreitbare Tatsachen. Allein, analysieren wir die Einzelheiten
bei diesen Vorgängen etwas genauer, so klärt sich das scheinbare
Paradoxon ohne weiteres auf und bestätigt vielmehr das Gesetz. Es
liegt nämlich auf der Hand, daß, soweit nicht entweder freie Atome
untereinander oder aber ganze Moleküle ohne Umlagerung ihrer Atome
zu einer Verbindung zusammentreten oder aus einer Verbindung als
präformierte Gruppen abgespalten werden, jeder Synthese eine Spaltung
der aktiven Moleküle in ihre Atome vorhergehen und jeder Spaltung eine
Synthese der freigewordenen Atome zu neuen Molekülen folgen muß. In
diesen Fällen verläuft also keine Synthese ohne vorhergehende Spaltung,
und keine Spaltung ohne nachfolgende Synthese. Hiernach leuchtet es
ein, daß unter Umständen bei einer Synthese eine negative Wärmetönung
bestehen kann, wenn nämlich, wie im Jodmolekül, die Jodatome oder im
Wasserstoffmolekül die Wasserstoffatome zueinander größere Affinität
haben als die Jodatome zu den Wasserstoffatomen. Dann wird mehr
Energie verbraucht, um die Atome des Jodmoleküls und die Atome des
Wasserstoffmoleküls voneinander zu spalten, als frei wird, wenn
die Jod- und Wasserstoffatome sich zu einem Jodwasserstoffmolekül
vereinigen, und da ja bei jedem kalorimetrischen Experiment nur der
Enderfolg zur Beobachtung gelangt, nie die Zwischenprozesse, so
erklärt es sich, weshalb am Ende der Reaktion sich ein Wärmeverbrauch,
eine negative Wärmetönung herausstellen muß. Das Umgekehrte ist
bei den Spaltungsvorgängen mit positiver Wärmetönung der Fall. Das
Nitroglyzerin (Salpetersäure-Triglyzerid) explodiert bekanntlich
bei Erschütterungen unter ungeheurer Energieentwicklung, indem
es in Wasser, Kohlensäure, Sauerstoff und Stickstoff zerfällt.
Diese Zerfallsprodukte sind aber strukturchemisch nicht im
Nitroglyzerinmolekül präformiert, sondern gehen erst durch synthetische
Umlagerung der Atome aus demselben hervor. Da die Atome des Wassers,
der Kohlensäure, des Sauerstoffs und des Stickstoffs in dieser
Anordnung aber viel größere Affinitäten zueinander haben als in der
Lagerung, die sie im Nitroglyzerinmolekül hatten, so genügt eine kleine
Energiemenge, um den Zerfall des Nitroglyzerinmoleküls herbeizuführen,
während aus den Umlagerungssynthesen eine außerordentlich große
Energiemenge frei wird. Daher erhalten wir als Endresultat eine
positive Wärmetönung. Also ebensowenig, wie streng genommen bei der
Jodwasserstoffsynthese der Wärmeverbrauch auf Rechnung der Synthese zu
setzen ist, ebensowenig stammt in Wirklichkeit die Energieproduktion
bei der Dynamitexplosion aus der Spaltung des Nitroglyzerinmoleküls.
Es ist notwendig, daß man sich diese Tatsache einmal klar gemacht hat.
Da aber nun allgemein, wenn von einer Synthese gesprochen wird, die
vorhergehende Spaltung, und wenn von einer Spaltung gesprochen wird,
die nachfolgende Synthese unberücksichtigt gelassen wird, so ist es
genauer, das Grundgesetz des Energiewechsels bei chemischen Prozessen
in folgender Form auszusprechen: +Werden bei einem chemischen Prozeß
stärkere Affinitäten gebunden als getrennt, so wird aktuelle Energie
frei; werden dagegen stärkere Affinitäten getrennt als gebunden, so
verläuft der Prozeß mit Energieverbrauch.+