Energetik chemischer Reaktionen

Hallo und herzlich willkommen!

Das Thema des heutigen Videos lautet "Energetik chemischer Reaktionen". Kurzum, es wird um die Frage gehen: Welche Rolle spielt die Energie beim Ablauf chemischer Reaktionen? Und hier werde ich dann vor allem auch auf den Begriff "Enthalpie" zu sprechen kommen.

Nach dem Video weißt du dann, was die Enthalpie ist, was endotherme und exotherme Reaktionen sind und außerdem, wie Enthalpieänderungen dargestellt werden können. Um das alles zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, 1. was eine chemische Reaktion überhaupt ist und 2. was eine Reaktionsgleichung ist.

Zunächst aber einmal zum Begriff "Energie". Jeder hat dieses Wort schon einmal gehört und kann irgendetwas damit anfangen. Meistens verbindet man mit Energie irgendwas, wo viel passiert, wo es pritzelt und brutzelt und so weiter. Tatsächlich gibt es viele verschiedene Arten von Energie. Da ist z. B. die elektrische Energie. Das ist das, was wir fühlen, wenn wir unseren Finger in die Steckdose stecken. Oder dann gibt es noch die mechanische Energie. Was die ist, verstehen wir z. B., wenn uns ein großer Blumentopf auf den Fuß fällt. Die thermische Energie, das ist die, die wir spüren, wenn wir aus Versehen mal die Herdplatte anfassen. Und dann gibt es noch die chemische Energie, die wir z. B. beobachten, wenn eine Rakete durch die Landschaft fliegt. Deren Antrieb beruht nämlich auf der Umsetzung chemischer Energie. Man sieht also, Energie kann viele verschiedene Formen annehmen. Was Energie allerdings nicht kann, ist verloren gehen. Energie geht nicht verloren.

Das Einzige, was Energie tun kann, ist, sich entweder in eine andere Energieform umwandeln. Z. B. elektrische Energie kann sich in thermische Energie umwandeln, bei der Herdplatte z. B. Oder es besteht die Möglichkeit, dass ein System Energie an ein anderes System weitergibt. Diesen Fall hat man z. B., wenn eine Teetasse abkühlt. In diesem Falle gibt das System "Teetasse" Energie an das System "Umwelt" ab. Vorgänge, an denen Energie beteiligt ist, haben immer Eines gemeinsam. Und zwar wandelt sich dabei stets ein Zustand 1 in einen Zustand 2 um. Solch eine Umwandlung nennt man dann eine Zustandsänderung.

Sagen wir mal, wir haben einen Teller mit heißer, dampfender Suppe. Das wäre Zustand 1. Dieser verwandelt sich in einen Teller kalter Suppe, weil wir ihn zu lange stehen lassen. Die Zustandsänderung würde in diesem Falle darin bestehen, dass die Suppe abkühlt. Also: "abkühlen". Dabei wird thermische Energie vom System "Suppe" an die Umgebung abgegeben. Eine Zustandsänderung kann alles Mögliche sein.

Ein weiteres Beispiel wäre etwa der Vorgang, bei dem Eis zu Wasser wird. Man würde ihn "schmelzen" nennen. Oder etwa, wenn der Zustand 1 "Tasse auf dem Tisch" sich in den Zustand 2 "Tasse auf dem Boden" verwandelt. Die Zustandsänderung wäre dann das "Herunterfallen". Oder, ein weiteres Beispiel wäre, wenn wir Kohlenstoff und Sauerstoff zusammenbringen und aus den beiden dann Kohlendioxid wird. Diese Art von Zustandsänderung würde man dann eine "chemische Reaktion" nennen. All diesen Vorgängen ist gemeinsam, dass sie mit einer Umwandlung oder einem Transfer von Energie einhergehen. Um das Eis zu schmelzen, benötigt man Wärme, also Energie. Wenn die Tasse auf dem Boden aufkommt, entsteht Wärme. Mal ganz abgesehen von dem Geschrei, wenn der Teppich schmutzig geworden ist. Wenn Kohlenstoff und Sauerstoff miteinander reagieren, entsteht ebenfalls Wärme. Das ist nämlich die Wärme, mit der wir unsere Wohnungen heizen, sofern wir eine Ofenheizung besitzen.   Hier in diesem Video interessiert uns vor allem das letzte Beispiel, also jenes, wo im Verlauf einer chemischen Reaktion Energie umgesetzt wird. Und bei chemischen Reaktionen ist es so, dass sie in der Regel von der Umwandlung chemischer Energie in thermische Energie begleitet sind - oder umgekehrt.

In unserem Beispiel hier entsteht dann eben auch nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Wärme. Und diese Wärme hat dann auch einen besonderen Namen. Man nennt sie nämlich die Enthalpie (mit th). Abgekürzt wird sie mit dem Buchstaben H. Man kann den energetischen Verlauf einer Reaktion auch in einem sogenannten Energiediagramm darstellen. Man benötigt dazu eine y-Achse, die den Energiegehalt des betrachteten Systems anzeigt. Dann malt man einen horizontalen Strich, der die Edukte symbolisieren soll, in unserem Falle also Kohlenstoff und Sauerstoff, und etwas weiter rechts, auf anderer Höhe, einen Strich, der die Produkte symbolisieren soll, in unserem Falle das Kohlendioxid. In diesem Falle ist es sinnvoll, den Strich für das CO2 etwas tiefer zu malen, als den für Kohlenstoff und Sauerstoff. Warum? Weil im Laufe der Reaktion vom betrachteten System, Wärme abgegeben wird. Das heißt, es verliert Wärme und folglich sind die Produkte energieärmer als die Edukte. Das heißt, sie sind niedriger auf der Energieachse. Der Höhenunterschied dieser beiden Striche entspricht dann auch genau der entstandenen Wärme, die wir hier mit ΔH bezeichnen. Was H ist, wissen wir, aber warum dieses Δ - dieses komische Dreieck da? Nun, Δ steht immer für Differenz, also für einen Unterschied zwischen zwei Dingen. In diesem  Falle ist es der Unterschied im Energiegehalt der Edukte und Produkte. Und er entspricht genau jener Energiemenge, die das System als Wärme an die Umgebung abgegeben hat.

Es gibt natürlich noch weitere Beispiele, wo es dann ein bisschen anders aussieht. Zum Beispiel kann man sich eine Reaktion anschauen, bei der Kohlendioxid mit Wasser reagiert und Zucker und Sauerstoff dabei entstehen. Hierbei handelt es sich um die gute alte Fotosynthese, also um jenen Vorgang, mit dessen Hilfe Pflanzen das Leben auf der Erde erst ermöglichen. In diesem Falle sind die Produkte energiereicher als die Edukte. Das heißt, es muss zusätzlich zum Kohlendioxid und dem Wasser auch noch Energie hineingesteckt werden am Anfang, damit Zucker und Sauerstoff entstehen können. In unserem Energiediagramm sieht das dann so aus, dass der Strich für die Edukte, also für das Kohlendioxid und das Wasser, tiefer gezeichnet wird als der Strich für die Produkte. Der Höhenunterschied der beiden Striche symbolisiert dann wieder genau jene Energie, die in diesem Falle in die Reaktion hineingesteckt werden musste, damit sie ablaufen konnte. Also praktisch der umgekehrte Fall im Vergleich zum vorhergegangenen Beispiel.   Reaktionen, bei denen die Edukte (also der Zustand 1) energiereicher sind als die Produkte (also der Zustand 2), nennt man "exotherm". In Ihrem Verlauf wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Rein praktisch formuliert könnte man auch sagen: "Das Reaktionsgefäß wird heiß". Ein Beispiel hierfür ist, wie gesagt, die Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wärme.

Und nun der umgekehrte Fall: Reaktionen, bei denen die Edukte (also Zustand 1) energieärmer sind als die Produkte (Zustand 2), nennt man "endotherm". In ihrem Verlauf wird Wärme von der Umgebung aufgenommen. Ein Beispiel hierfür wäre eben die Reaktion von Kohlendioxid und Wasser und Energie zu Zucker und Sauerstoff.   Wie kann ich nun diese Enthalpie angeben bzw. woher weiß ich, wie viel Energie im Verlauf einer Reaktion entsteht oder benötigt wird? Nun, in der Regel wird die Enthalpie einer Reaktion als Zusatzangabe neben die Reaktionsgleichung geschrieben. Zum Beispiel steht dann bei der Ammoniaksynthese, also bei der Reaktion zwischen 3 Molekülen Wasserstoff und 1 Molekül Stickstoff zu 2 Molekülen Ammoniak, die Angabe: ΔH =-92,3 kJ. Ihr wisst natürlich, dass kJ die Einheit der Energie ist. Oder ein weiteres Beispiel: Chlor reagiert mit Sauerstoff zu Chlordioxid und dazu die Zusatzangabe: ΔH=205,2 kJ. Was fällt euch auf? Worin unterscheiden sich diese Beispiele prinzipiell? Ganz klar, bei einem ist das ΔH negativ und beim anderen ist es positiv. Reaktionen, bei denen die Reaktionsenthalpie negativ ist, nennt man exotherm und solche, bei denen sie positiv ist, nennt man endotherm. Das ist ja auch sinnvoll. Wenn man sich eine exotherme Reaktion anschaut, dann sieht man, dass das System, also die betrachteten Stoffe, im Verlauf der Reaktion Energie verlieren. Die Energieänderung des betrachteten Systems ist also negativ. Und im endothermen Fall ist es ja so, dass Energie hinzuaddiert wird, also ist die Änderung positiv. Ihr seht also, man macht diese Angaben immer aus der Perspektive des betrachteten Systems, also der reagierenden Stoffe.   Hier noch ein weiteres Beispiel, wo ich die verschiedenen Arten der Darstellung der Enthalpie nebeneinander zeige. Es geht um die Reaktion von Wasserstoff mit Chlor zu Chlorwasserstoff. Das ist die sogenannte Chlorknallgasreaktion. Wir finden dazu im Buch die Angabe ΔH=-184,8 kJ. Am Minuszeichen erkennen wir, dass die Reaktion exotherm sein muss, dass also Wärme entsteht. Und wenn wir nun ein Energiediagramm zeichnen wollen, dann wissen wir, dass die Edukte oberhalb der Produkte liegen. Der Abstand zwischen den beiden entspricht dann genau 184,8 kJ. Und da der Pfeil nach unten zeigt, das System also Energie abgibt oder verliert, machen wir vor die 184,8 kJ ein fettes Minuszeichen.

Theoretisch kann man diese Reaktionsenthalpie auch in die Reaktionsgleichung selbst schreiben. In diesem Falle würde das dann so aussehen, dass das steht: H2+Cl2-184,8 kJ→2HCl. Diese Art der Darstellung der Enthalpie ist allerdings eher ungewöhnlich, wiewohl sie natürlich richtig ist.   So und damit wären wir auch schon wieder am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was Enthalpie ist und was endotherme und exotherme Reaktionen sind. Außerdem habe ich euch gezeigt, wie man Enthalpieänderungen darstellen kann, nämlich in einem Energiediagramm oder als Zusatzangabe zur Reaktionsgleichung oder sogar in der Reaktionsgleichung selbst.

Vielen Dank fürs Zuschauen. Tschüss, bis zum nächsten Mal!