Energie bei chemischen Reaktionen

Der Energieerhaltungssatz in der Chemie

Energie ist eine sehr wichtige Größe in der Physik. Aber was hat Energie mit Chemie zu tun? Bei chemischen Reaktionen laufen nicht nur Stoffumwandlungen, sondern gleichzeitig auch Energieumwandlungen ab. Energie kann aufgenommen oder abgegeben werden. Aber was ist Energieerhaltung einfach erklärt und wie gestaltet sich das in der Chemie? Das wollen wir uns im folgenden Text genauer ansehen.

Energieerhaltungssatz – Definition

Was bedeutet der Energieerhaltungssatz in der Chemie? Der Begriff Energie bedeutet anschaulich ausgedrückt die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen. Dabei gibt es verschiedene Energieformen. Energie kann auch von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Man spricht dabei auch von der sogenannten Energieumwandlung (Chemie).

Einige in der Chemie wichtige Energieformen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Beim Einsatz von Elektroautos wird beispielsweise elektrische Energie in mechanische Energie (Bewegung) umgewandelt und bei Verbrennungsprozessen wird chemische Energie in thermische Energie (Wärme) umgewandelt.

Der Energieerhaltungssatz in Chemie – Beispiele

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen, bei denen Teilchen umgeordnet, chemische Bindungen gespalten und wieder neu geknüpft werden und neue Stoffe entstehen. Diese Umordnung der Teilchen sowie die Veränderung der chemischen Bindungen benötigt Energie (endotherm) oder setzt Energie frei (exotherm). Es finden also Energieumwandlungen statt.

In der folgenden Abbildung siehst du ein Beispiel für die Energieerhaltung in der Chemie.

Bei chemischen Reaktionen kann chemische Energie in diverse andere Energieformen umgewandelt werden. Am bekanntesten ist dabei die Umwandlung in Wärmeenergie (thermische Energie) oder in kinetische Energie. Auch die Umwandlung in elektrische Energie und die Entstehung von Lichtenergie ist möglich. In der folgenden Tabelle findest du einige Beispiele für Energieumwandlungen von chemischer Energie in andere Energieformen.

Wie lautet der allgemeine Energieerhaltungssatz?

Nun wissen wir, was Energie in der Chemie bedeutet. Aber gibt es auch eine Formel für den Energieerhaltungssatz? Der Energieerhaltungssatz entspricht dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Er lautet:

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen (isolierten) Systems verändert sich nicht.

Das heißt anders ausgedrückt, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet werden kann. Nur die Umwandlung in andere Energieformen ist möglich. Der Energieerhaltungssatz kann als Formel so notiert werden:

$E = E_1 + E_2 + …. + E_n ~~~ oder ~~~\Delta{E} = 0$

In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien also konstant und die Gesamtenergie $left( E \right)$ bleibt erhalten. Von einem abgeschlossenen oder isolierten* System spricht man, wenn kein Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung erfolgen kann – weder Materie noch Energie können entweichen oder aufgenommen werden. Das ist zum Beispiel bei einer Thermoskanne der Fall.

Ein geschlossenes System lässt kein Stoff- oder Materieaustausch mit der Umgebung zu. Die Energie, zum Beispiel als Wärme, kann im geschlossenen System jedoch weiterhin ein- und austreten. Setzt man einen Stöpsel luftdicht auf das Reagenzglas, hat man so ein System.

Im Chemielabor arbeitet man hingegen oft mit einem offenen System. Zum Beispiel wenn man mit einem Reagenzglas arbeitet, das mit einem Stoff gefüllt ist und oben offen ist. Bei einem solchen System muss bedacht werden, dass weiterhin Stoffe oder Wärme entweichen oder aus der Luft ins Glas gelangen können. Bei offenen Systemen legt man deshalb einen Bereich oder Ausschnitt fest, den man betrachtet.

In nicht isolierten Systemen kann es zu einem sogenannten Energieverlust kommen. Der Energieerhaltungssatz besagt doch, dass Energie nicht einfach verschwinden kann. Wie ist das möglich?

Zum Beispiel wird bei Bewegungen zwischen zwei Oberflächen eine Reibung erzeugt. Die Reibungswärme kann nicht mehr zur Bewegung genutzt werden. Damit die Bewegung aufrechterhalten werden kann, muss ständig neue Energie zugefügt werden.

Zusammenfassung der Energieerhaltung

Wir haben uns angesehen, was Energie überhaupt ist und welche Energieformen es gibt. Im Anschluss wir auf Energieumwandlungen ganz allgemein und speziell bei chemischen Reaktionen eingegangen. Wir haben den Energieerhaltungssatz einfach erklärt und die Bedeutung von Energieverlusten durch die Umwandlung in Wärmeenergie aufgezeigt.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Energieerhaltungssatz