Reaktion und Energie

Chemische Reaktionen

•Umwandlung von einem oder mehreren Stoffen in andere Stoffe

•Edukte (Ausgangstoffe) à Produkte (Endstoffe)

•Die neuen Stoffe besitzen dauerhaft andere Eigenschaften

Chemische Reaktionen, Energie & Massengesetz

•Jede chemische Reaktion ist von einem Energieumsatz begleitet

•Bei der Umwandlung von Stoffen wird Energie freigesetzt (exotherm) oder aufgenommen (endotherm)

•Bei einer chemischen Reaktion gilt das Gesetz der Massenerhaltung

Chemische Reaktion – ja oder nein?

Wo handelt es sich um eine chemische Reaktion?

•Brennen einer Kerze

•Schmelzen von Eis

•Salz in Wasser auflösen

•Wasserkocher entkalken

•Kochen von einem Ei

•Verdauung von Essen

Ja

nein

nein

ja

ja

ja

Synthese und Analyse Reaktionen

Verbrennungen

Chemische Reaktionen (Stoffumwandlungen), bei denen Licht und Wärme freigesetzt werden und energieärmere, stabilere (hitzebeständigere) Bindungen entstehen

Flamme: Verbrennung erfolgt in der Gasphase
Glühen: feste Stoffe (z.B. Kohle) verglühen ohne Flamme

vollständigen Verbrennung:

•H-Atomen → Wasser

•C-Atomen → Kohlenstoffdioxid

•z.B. Alkohol (C₂H₅OH) & O₂ verbrennen mit einer kaum sichtbaren bläulichen Flamme zu CO₂ und H₂O

In Realität erfolgen Verbrennungen oft unvollständig.
Dabei entsteht Russ (elementarer Kohlenstoff C) & Kohlenmonoxid (CO). Durch die glühenden Kohlenstoffeinheiten ist die Flamme gelb.

Verbrennungen

Zellatmung liefert Betriebsenergie vieler Lebewesen.

Bunsenbrenner

Der Bunsenbrenner ist ein Gerät, mit dem man Gase wie Erdgas oder Biogas (CH₄) vollständig verbrennen kann.

Wenn Flammen bei einer Verbrennung entstehen, dann müssen gasförmige Stoffe entstehen. Somit müssen sich durch die Hitze bei der Verbrennung von Holz Gase bilden.

Da die gelben Flammen gut sichtbar sind, erfolgt die Verbrennung unvollständig. Es bildet sich auch Russ, der vom Kaminfeger dann entfernt werden muss.

Energie in Zusammenhang mit chemischen Reaktionen

Spaltung und Bildung von Bindungen

Werden Bindungen getrennt, ist dies mit Energieaufwand verbunden.

Bei jeder chemischen Reaktion werden bestehende Bindungen gespalten (endotherm, Energieaufnahme) und neue Bindungen gebildet (exotherm, Energieabgabe)

Je nachdem, ob für die Bindungsspaltung mehr oder weniger Energie aufgenommen werden muss als bei der Bildung der neuen Bindungen freigesetzt wird, ist der Gesamtvorgang endo- oder exotherm.

Da alle Energieformen zu 100% in Wärme überführt werden können, werden Energieveränderung bei chemischen Reaktionen meist durch Wärmemessung bestimmt:

Exotherm: Wärmeenergie fliesst nach aussen

Endotherm: Wärmeenergie fliesst nach innen

Exotherme & Endotherme Reaktionen

•Exotherm: Energieabgabe erkennbar an Leuchten, Wärmeabgabe, Lärm usw.

•Endotherm: Energieaufnahme erkennbar an Abkühlung, ständiger Zufuhr von Energie

Aktivierungsenergie

•Chemische Reaktionen laufen nur ab, wenn Aktivierungsenergie zugeführt wurde.

•Die Aktivierungsenergie lockert bestehende Bindungen auf (endotherm), so dass neue eingegangen werden können (exotherm).

•Beispiele von Aktivierungsenergien:

•Wärmezufuhr / Zündung

•Zufuhr elektrische Energie

•UV-Einstrahlung

•Radioaktivität

Aktivierungsenergie

Viele exotherme Reaktionen wie das Verbrennen einer Kerze laufen nicht automatisch ab, da Moleküle beständig sind. Die Stoffsysteme müssen zuerst aktiviert werden (Anzünden einer Kerze).

Aktivierungsenergie setzt Reaktion in Gang und spaltet bestehende Bindungen eines kleinen Teils der Edukte. Bei exothermen Reaktionen wird Energie frei, wodurch weitere Stoffe aktiviert werden

Exotherme & Endotherme Reaktionen

Endotherme Reaktion

•Beispiel: Bariumhydroxid und Ammoniumchlorid

Exotherme & Endotherme Reaktionen

Exotherm: Energieabgabe erkennbar an Leuchten, Wärmeabgabe, Lärm usw.

Endotherm: Energieaufnahme erkennbar an Abkühlung, ständiger Zufuhr von Energie

Elektrolyse von Wasser (Analyse) → endotherm

Knallgasreaktion (Synthese) → exotherm

Katalysatoren

Fremdstoffe, die mit den Edukten Zwischenverbindungen bilden und dabei bestehende Bindungen lockern/spalten      

→ Reaktionsauslösung ohne zusätzliche Wärmezufuhr

liegen nach der Reaktion unverbraucht vor

Enzyme (=Biokatalysatoren) in Lebewesen ermöglichen alle Stoffwechselvorgänge bei Körpertemperatur
bei ca. 37 Grad (z.B. Verdauungsenzyme)

Schmelz- und Verdampfungsenergie

Die Energiemenge, die beim Schmelzen für die Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest benötigt wird, heisst Schmelzwärme (oder Schmelzenthalpie).
Diese Energie wird für die Überwindung der Gitterkräfte benötigt.

Die Energiemenge, die beim Verdampfen für die Aggregatzustandsänderung von flüssig nach gasförmig benötigt wird, heisst Verdampfungswärme (-enthalpie). Hier müssen die Kohäsionskräfte überwunden werden.

Die Verdampfungswärme ist in der Regel grösser als die Schmelzwärme.

Schmelz- und Verdampfungsenergie

Feuerlöschmittel Wasser

Das Verdampfen von Wasser benötigt viel Energie, da die Verdampfungswärme dieses Stoffes sehr gross ist.
Somit wird beim Löschen mit Wasser dem Brandherd sehr viel Energie entzogen.
Zusätzlich verdrängen die Wassermoleküle noch die Sauerstoffmoleküle vom Brandherd, was das Löschen weiter begünstigt.

Schmelz- und Verdampfungsenergie

Aggregatzustandsänderungen:

Endotherm: Schmelzen & Verdampfen → Energiezufuhr

Exotherm: Erstarren & Kondensieren → Energieentzug

Wüsten → kühle Nächte & heisse Tag

Orte mit hoher Luftfeuchtigkeit à heizen weniger schnell auf und kühlen in der Nacht weniger ab

-Ein Teil der Sonnenenergie wird für die Verdampfung von Wasser verbraucht                      → weniger starke Aufheizung

-In der Nacht kondensiert die Luftfeuchtigkeit → Kondensationsenergie wird frei, Nacht kühlt sich weniger stark ab

Gasexpansion

Lässt man ein Gas ausströmen, das unter Druck steht, so stellt man eine Abkühlung fest.

•Es muss sich also um einen endothermen Vorgang handeln → «Es wird kalt»

•Die anziehenden Kräfte zwischen den zusammengepressten Molekülen müssen überwunden werden.

•Die Bindungskräfte zwischen den Molekülen werden kleiner, weil sich die Abstände vergrössern.

Gaskompression = exotherm

•Mit dieser Methode lassen sich die Gase der Luft verflüssigen.

•Luft verflüssigen: Stickstoff erst bei -196°C flüssig, von Raumtemperatur 20°C aus → (Kühlung um 220 Grad).

Freiwillig verlaufende Reaktionen

Viele exotherme Reaktionen (zum Teil erst nach einer Zündung) laufen freiwilligab. Z.B. Verbrennungen. Ursache ist hier die Entstehung stabilerer Bindungen

Es gibt aber auch endotherme Reaktionen, welche freiwillig ablaufen.
Ich denke da an das Verdunsten von Wasser.

Hier muss also noch eine zweite Grösse eine Rolle spielen. Beim Verdunsten wechseln die Teilchen vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand.
Die Unordnung der Teilchen nimmt also zu.
Diese «Unordnung» kann man mit einer neuen Grösse messen, der sogenannten Entropie.

Unordnung entsteht von alleine, Ordnung erfordert einen grossen Energieaufwand.

2 Faktoren entscheiden, ob Reaktion freiwillig verlaufen: Bindungskräfte & Eigenbewegung der Stoffteilchen

Massenerhaltung – Was ist das?

Chemische Gleichungen

•Wie vorzugehen?

•Anzahl Atome vor und nach dem Pfeil gleich!

•Neue Koeffizienten nur vor die Stoffe

•Kleinste gemeinsame Vielfache

•Kontrollieren

Massenerhaltung: Links und Rechts MUSS die Menge an Atomen gleich sein!

Reaktionsgleichungen

Beispiel einer Reaktionsgleichung: Vollständige Verbrennung von Hexan zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.

1. Schritt : Reaktionsgleichung in Worten aufstellen mit den Formeln dazu.
Hexan (C₆H₁₄) +  Sauerstoff (O₂)  à  Kohlenstoffdioxid (CO₂) +  Wasser (H₂O)
2. Schritt:  Kohlenstoff angleichen. Links sind 6 C-Atome vorhanden, dies ergibt rechts der Gleichung auch 6 CO₂-Moleküle.
C₆H₁₄   +   O₂   à  6CO₂   +   H₂O
3. Schritt: Wasserstoff angleichen. Links sind 14 H-Atome vorhanden, dies ergibt halb so viele Wassermoleküle (1 H₂O-Molekül enthält 2 H-Atome).
C₆H₁₄   +   O₂   à   6CO₂   +  7H₂O
4. Schritt: Sauerstoff angleichen. Rechts hat es 6*2 + 7*1 = 19 O-Atome oder 9.5
Sauerstoffmoleküle.
C₆H₁₄   + 9.5O₂  à 6CO₂   +   7H₂O

5. Schritt: Gleichung verdoppeln, da es keine halben Moleküle gibt (9.5 O2)
2C₆H₁₄   +   19O₂   à 12CO₂   +  14H₂O