Energie bei chemischen Reaktionen
Am Lagerfeuer wird es warm und hell. Ein Handwärmer wird warm, sobald du die Packung öffnest und Luft herankommt, obwohl kein Feuer brennt. Löst du dagegen ein Brausepulver aus Natron und Zitronensäure in Wasser auf, wird das Wasser im Glas spürbar kühler.
Bei allen drei Vorgängen reagieren Stoffe. Trotzdem wird es einmal warm und einmal kalt. Holz brennt auch nicht von allein, obwohl Sauerstoff in der Luft ist. Es braucht erst einen Funken.
Du lernst, welche Energie bei chemischen Reaktionen im Spiel ist, wie du sie in einem Diagramm zeigst und was ein Katalysator tut.
Energieformen und Energieumwandlung
Energie brauchst du für alles, was passiert: heizen, leuchten, bewegen. Du siehst sie nicht, aber du siehst, was sie bewirkt. Ihre Einheit ist das Joule (J). 1 Kilojoule (kJ) sind 1000 J.
Für die Chemie sind vier Energieformen wichtig:
- Chemische Energie steckt in den Stoffen selbst, zum Beispiel in Holz, Benzin, Nahrung oder einer Batterie.
- Thermische Energie ist die Wärme eines Körpers. Je wärmer, desto schneller bewegen sich seine Teilchen.
- Elektrische Energie steckt im Strom.
- Strahlungsenergie ist die Energie des Lichts.
Energie kann ihre Form wechseln. Das heißt Energieumwandlung. In einer Kerzenflamme wird chemische Energie des Wachses zu thermischer Energie und Strahlungsenergie (Wärme und Licht). In einer Batterie wird chemische Energie zu elektrischer Energie. Dabei geht keine Energie verloren, sie ändert nur ihre Form.
Exotherme und endotherme Reaktion
In den Stoffen steckt chemische Energie. Bei einer Reaktion kann sie sich ändern.
Bei einer exothermen Reaktion haben die Produkte weniger chemische Energie als die Edukte. Der Unterschied wird frei und geht an die Umgebung, meist als Wärme, oft auch als Licht. Die Umgebung wird wärmer.
Bei einer endothermen Reaktion haben die Produkte mehr chemische Energie als die Edukte. Die Reaktion nimmt Energie aus der Umgebung auf, zum Beispiel Wärme, Licht oder Strom. Liefert die Umgebung die Wärme, wird sie kälter.
Merkhilfe: exo heißt „nach außen“ (Energie geht hinaus), endo heißt „nach innen“ (Energie geht hinein).
| Reaktion | Art | Was du bemerkst |
|---|---|---|
| Verbrennung von Holz oder Erdgas | exotherm | Wärme und Licht |
| Handwärmer (Eisenpulver reagiert mit Luftsauerstoff) | exotherm | wird warm, bis etwa 50 °C |
| Natron mit Zitronensäure in Wasser | endotherm | die Lösung wird kälter |
| Kalkbrennen (Kalkstein stark erhitzen) | endotherm | läuft nur, solange man erhitzt |
| Wasser mit Strom zerlegen | endotherm | läuft nur, solange Strom fließt |
Exotherm oder endotherm? Messwerte auswerten
Exotherm oder endotherm? Messwerte auswerten
Zwei Versuche mit Thermometer (angenommene Werte):
| Versuch | Temperatur vorher | Temperatur nachher |
|---|---|---|
| A: Handwärmer wird aus der Packung genommen | 21 °C | 52 °C |
| B: Natron und Zitronensäure in Wasser | 22 °C | 15 °C |
Welcher Versuch ist exotherm, welcher endotherm? Um wie viel Grad ändert sich die Temperatur?
Bei A steigt die Temperatur von 21 °C auf 52 °C. Die Reaktion gibt Wärme an die Umgebung ab. Sie ist exotherm. Die Änderung beträgt 52 − 21 = 31 Grad.
Bei B sinkt die Temperatur von 22 °C auf 15 °C. Die Reaktion nimmt Wärme aus dem Wasser auf. Sie ist endotherm. Die Änderung beträgt 22 − 15 = 7 Grad, und es wird kälter.
Energiediagramm und Aktivierungsenergie
Ein Energiediagramm zeigt den Weg einer Reaktion. Auf der senkrechten Achse steht die Energie. Auf der waagerechten Achse läuft die Reaktion von links nach rechts.
Du siehst drei Stellen: Links beginnt die Linie auf der Höhe der Edukte. In der Mitte steigt sie zu einem Hügel an. Rechts endet sie auf der Höhe der Produkte.
| Stelle im Diagramm | Bedeutung |
|---|---|
| Höhe links | Energie der Edukte |
| Höhe des Hügels | höchste Energie auf dem Weg |
| Höhe rechts | Energie der Produkte |
| Hügel minus Höhe links | Aktivierungsenergie |
| Höhe links minus Höhe rechts | bei einer exothermen Reaktion: frei werdende Energie |
| Höhe rechts minus Höhe links | bei einer endothermen Reaktion: aufgenommene Energie |
Bei einer exothermen Reaktion liegen die Produkte tiefer als die Edukte, bei einer endothermen höher.
Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die du den Edukten zuerst zuführen musst, damit die Reaktion in Gang kommt. Stell dir einen Stein vor, der in einer Mulde oben am Berg liegt. Erst ein Schubs über den Rand, dann rollt er von allein ins Tal und setzt Energie frei. Der Schubs ist die Aktivierungsenergie. Beim Holz ist es das Streichholz. Die Flamme liefert danach selbst genug Wärme für den Rest des Holzes.
Ein Energiediagramm lesen
Ein Energiediagramm lesen
Ein Energiediagramm zeigt (angenommene Werte): Die Edukte liegen bei 100 kJ, der Hügel bei 150 kJ und die Produkte bei 40 kJ. Wie groß ist die Aktivierungsenergie? Wie viel Energie wird frei? Ist die Reaktion exotherm oder endotherm?
Aktivierungsenergie: Hügel minus Edukte, also 150 − 100 = 50 kJ. So viel Energie brauchst du zum Starten.
Die Produkte (40 kJ) liegen tiefer als die Edukte (100 kJ). Die Energie, die frei wird: 100 − 40 = 60 kJ.
Da die Produkte tiefer liegen, ist die Reaktion exotherm. Zum Starten brauchst du 50 kJ. Am Ende liegen die Produkte aber 60 kJ tiefer als die Edukte, und die Umgebung gewinnt diese 60 kJ.
Katalysator
Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt. Er senkt die Aktivierungsenergie, im Diagramm wird der Hügel niedriger. Dabei wird er nicht verbraucht, und er ist nach der Reaktion noch da.
Der Katalysator ändert nicht die Höhe der Edukte und Produkte. Die frei werdende oder aufgenommene Energie bleibt gleich.
Beispiele:
- Wasserstoffperoxid-Lösung zerfällt langsam in Wasser und Sauerstoff. Gibst du Braunstein dazu, sprudelt Sauerstoff schnell heraus. Der Braunstein bleibt dabei unverändert. Wasserstoffperoxid und Braunstein nie ohne Lehrkraft verwenden.
- Der Abgaskatalysator im Auto wandelt giftige Abgase in weniger schädliche Stoffe um.
Wirkung eines Katalysators
Wirkung eines Katalysators
Dasselbe Diagramm wie oben (Edukte 100 kJ, Hügel 150 kJ, Produkte 40 kJ). Ein Katalysator senkt den Hügel auf 130 kJ. Wie groß ist jetzt die Aktivierungsenergie? Wie viel Energie wird frei?
Neue Aktivierungsenergie: 130 − 100 = 30 kJ. Vorher waren es 50 kJ. Der Katalysator spart also 50 − 30 = 20 kJ.
Die Produkte liegen weiter bei 40 kJ. Es werden weiter 100 − 40 = 60 kJ frei.
Exotherme Reaktionen starten von allein
Exotherme Reaktionen starten von allein
„Holz brennt exotherm, es gibt Energie ab. Dann braucht es zum Starten keine Energie.“
Auch eine exotherme Reaktion braucht erst die Aktivierungsenergie, zum Beispiel einen Funken. Danach liefert sie selbst genug Energie, um weiterzulaufen.
Der Katalysator liefert Energie
Der Katalysator liefert Energie
„Der Katalysator gibt der Reaktion Energie und wird dabei aufgebraucht.“
Ein Katalysator liefert keine Energie. Er macht den Weg über den Hügel leichter, weil die Aktivierungsenergie sinkt. Er wird nicht verbraucht.
Bei endothermen Reaktionen verschwindet Energie
Bei endothermen Reaktionen verschwindet Energie
„Wenn die Reaktion Energie aufnimmt, ist die Energie weg.“
Energie geht nie verloren. Bei einer endothermen Reaktion wird die aufgenommene Energie in chemische Energie der Produkte umgewandelt. Sie ist dort gespeichert.
Zusammenfassung
Energie hat die Einheit Joule. Wichtige Formen sind chemische, thermische, elektrische Energie und Strahlung.
Bei Reaktionen wandelt sich Energie um, sie geht nicht verloren.
Eine exotherme Reaktion gibt Energie ab, eine endotherme nimmt Energie auf.
Im Energiediagramm liegen die Produkte bei exothermen Reaktionen tiefer als die Edukte, bei endothermen höher.
Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die zum Starten nötig ist. Im Diagramm ist es der Hügel über den Edukten.
Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und wird nicht verbraucht.
Ein Katalysator ändert nicht, wie viel Energie insgesamt frei wird oder aufgenommen wird.
Übungen
Bei einer Reaktion steigt die Temperatur im Reagenzglas von 20 °C auf 45 °C. Was stimmt?
Im Energiediagramm liegen die Edukte bei 80 kJ, der Hügel bei 120 kJ und die Produkte bei 30 kJ. Wie viel Energie wird frei, in Kilojoule?
Edukte liegen bei 20 kJ, der Hügel bei 90 kJ. Ein Katalysator senkt den Hügel auf 60 kJ. Wie groß ist die Aktivierungsenergie mit Katalysator, in Kilojoule?
Was beschreibt einen Katalysator richtig?
Ein Holzscheit liegt an der Luft und brennt nicht von allein, obwohl die Verbrennung exotherm ist. Erkläre das mit der Aktivierungsenergie.