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Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen 02:47 min

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Transkript Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen

Wenn eine chemische Reaktion abläuft, findet stets eine Energieumwandlung statt. Reaktionen, bei denen Energie abgegeben wird, nennt man exotherm – die Ausgangsstoffe besitzen mehr Energie als die Produkte, darum wird überschüssige Energie in Form von Wärme freigesetzt. Eine Verbrennung ist eine klassische exotherme Reaktion. Bei der Verbrennung von zum Beispiel Holz und Sauerstoff wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Im Gegensatz dazu muss bei einer endothermen Reaktion Energie zugeführt werden, damit sie stattfindet. Ein wichtiges Beispiel ist die Thermolyse, die üblicherweise endotherm ist. Das bedeutet, dass Wärme zugeführt wird, um eine chemische Verbindung in zwei oder mehr einfachere Stoffe zu spalten. Diese Art von Reaktion hilft dir, wenn du einen Kuchen mit Natriumhydrogencarbonat backst, auch bekannt als Natron, der Hauptzutat von Backpulver. Bei hohen Temperaturen spaltet es sich in Natriumcarbonat, Wasser und – für den Kuchen am wichtigsten – Kohlenstoffdioxid. Die Gasbläschen des Kohlenstoffdioxids helfen, dass der Kuchen aufgeht. Aber die Reaktion läuft nur bei hohen Temperaturen ab. Würde man den Kuchenteig einfach nur stehen lassen, würde sich das Natriumhydrogencarbonat nicht verändern. Der Grund dafür ist, dass die Wärme genug Energie bereitstellen kann, um die starken chemischen Bindungen eines Stoffes aufzubrechen. Bindungen aufzubrechen kostet immer Energie, während Energie freigesetzt wird, wenn Bindungen entstehen. Da manche Bindungen stärker als andere sind, bestimmt das Verhältnis zwischen dem Aufbrechen und dem Bilden unterschiedlicher Bindungen, ob in der Summe Energie aufgenommen oder freigesetzt wird. Wenn beim Aufbrechen von Bindungen mehr Energie aufgenommen wird als beim Bilden von Bindungen freigesetzt wird, ist die Reaktion endotherm. Im Gegensatz dazu ist die Reaktion exotherm, wenn die Bildung neuer chemischer Bindungen in einem Produkt mehr Energie freisetzt, als beim Aufbrechen von Bindungen in den Ausgangsstoffen aufgenommen wird.

Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen kannst du es wiederholen und üben.

  • Vergleiche endotherme und exotherme Reaktionen miteinander.

    Tipps

    Ist eine Reaktion exotherm, so überwiegt die Energie des Prozesses, bei welchem Energie frei wird.

    Für einen Bindungsbruch wird Energie benötigt. Wird eine Bindung geschlossen, so wird dabei Energie frei.

    Lösung

    Je nachdem, ob bei einer Reaktion Energie frei wird oder Energie aufgenommen wird, können wir die Reaktionen als exotherm oder als endotherm bezeichnen.
    Ein Lagerfeuer ist ein klassisches Beispiel für eine exotherme Reaktion. Beim Verbrennen von Holz mit Sauerstoff wird Energie in Form von Wärme frei.
    Ein bekannter, endothermer Prozess ist das Schmelzen von Eis, da hierfür Energie benötigt wird.

    Bei exothermen Reaktionen wird bei der Bildung von neuen Bindungen mehr Energie frei, als für das Aufbrechen von Bindungen benötigt wurde.
    Bei endothermen Reaktionen hingegen wird mehr Energie für das Aufbrechen von Bindungen benötigt, als letztendlich wieder frei wird.

  • Nenne Beispiele exothermer und endothermer Reaktionen.

    Tipps

    Damit ein Eiswürfel schmilzt, muss ihm Wärme zugeführt werden.

    Das Natron im Backpulver zersetzt sich nur bei hohen Temperaturen im Ofen.

    Lösung

    Ob eine Reaktion exotherm ist, erkennt man sehr oft daran, dass dabei Wärme entsteht. Dies ist gerade bei Verbrennungsreaktionen wie z. B. bei einem Lagerfeuer der Fall.

    Bei endothermen Reaktionen hingegen wird keine Wärme frei, sondern es muss der Reaktion Energie hinzugeführt werden. So schmilzt ein Eiswürfel nur dann, wenn er erwärmt wird. Natron im Kuchenteig zersetzt sich nur dann, wenn der Teig im Ofen erhitzt wird. Das Zersetzen von Natron ist zudem ein Beispiel für eine Thermolyse.
    Bei einer Thermolyse muss Energie zugeführt werden, damit sich chemische Verbindungen zersetzen.

  • Erkläre die chemische Verwendung von Backpulver.

    Tipps

    In jeder ausgeglichenen Reaktionsgleichung müssen auf beiden Seiten des Reaktionspfeils die gleichen Elemente vorkommen.

    Endotherme Prozesse laufen nur ab, solange Energie zugeführt wird.

    Lösung

    Bei einer Thermolyse werden chemische Verbindungen durch hohe Temperaturen, also durch Energiezufuhr, aufgebrochen. Ein bekanntes Beispiel ist die Zersetzung von Natron, dem Hauptbestandteil von Backpulver. Dieser Prozess ist endotherm und findet lediglich bei hohen Temperaturen, also letztendlich im Backofen, statt.

    Die Reaktionsgleichung der Reaktion lautet wie folgt:
    $2NaHCO_3 \longrightarrow Na_2CO_3 + H_2O + CO_2$
    Das entstehende Kohlenstoffdioxid ist für das Aufgehen des Kuchens verantwortlich.

  • Erkläre die Bestimmung des Reaktionstyps.

    Tipps

    Es gibt sowohl exotherme als auch endotherme Reaktionen, bei welchen sich die Teilchenzahl nach einer Reaktion erhöht hat.

    Lösung

    Ob eine Reaktion exotherm oder endotherm ist, hängt lediglich davon ab, ob mehr oder weniger Energie abgegeben als aufgenommen wird. Beim Aufbrechen von Bindungen wird immer Energie benötigt. Beim Bilden von neuen Bindungen hingegen wird immer Energie frei.
    Das Verhältnis dieser Energien ist entscheidend für die Bestimmung des Reaktionstyps. Sie ergeben sich wiederum aus der Anzahl und der Art der Bindungen, die eingegangen oder aufgebrochen werden.

  • Beschreibe den Verlauf einer Verbrennung.

    Tipps

    Damit sich Kohlenstoffdioxid bilden kann, müssen Bindungen zwischen den Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen entstehen.

    Lösung

    Schauen wir uns als Reaktionsbeispiel die Verbrennung von Holz an: Der feste Brennstoff Holz reagiert mit dem Gas Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid.
    Die Reaktion benötigt Energie in Form von Wärme. Daher wird ein Streichholz oder Feuerzeug sowie Brandbeschleuniger verwendet, um ein Lagerfeuer zu entfachen. Egal, ob es sich um eine endotherme oder exotherme Reaktion handelt, zuerst muss den Reaktionspartnern Energie zugeführt werden. Wäre dies nicht so, würden alle Bäume und Holzhäuser spontan in Flammen aufgehen.
    Diese Energie wird dazu verwendet, die Bindungen in den Sauerstoff- und Kohlenstoffmolekülen aufzubrechen. Sind die Bindungen gebrochen, so können nun neue Bindungen gebildet werden. Ein Kohlenstoffatom geht nun eine Bindung mit zwei Sauerstoffatomen ein.
    Dabei entsteht Energie, welche an die Umgebung abgegeben wird. Es handelt sich daher um eine exotherme Reaktion.

  • Beurteile, ob das Gefrieren von Wasser zu einem Eiswürfel ein exothermer Prozess ist.

    Tipps

    Auch wenn das Schmelzen oder das Gefrieren keine chemischen Reaktionen sind, bei denen neue Moleküle entstehen, so kann man die Prozesse dennoch als endotherm oder exotherm bezeichnen.

    Bei vielen exothermen Reaktionen bemerkt man kaum die freiwerdende Energie.

    Wasser besitzt drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Den Wechsel bezeichnet man zum Beispiel als schmelzen, gefrieren, verdunsten und kondensieren.

    Lösung

    Damit ein Eiswürfel schmelzen kann, muss ihm Wärme zugeführt werden. Dies bedeutet, dass das Schmelzen von Eis ein endothermer Prozess ist.
    Die umgekehrte Richtung, also das Gefrieren von flüssigem Wasser zu Eis, ist somit ein exothermer Prozess.
    Allgemein lässt sich sagen, dass, wenn eine Reaktionsrichtung endotherm ist, die umgekehrte Richtung exotherm ist. Dies gilt auch umgekehrt.

    Aber warum wird der Eiswürfel während des Gefrierens dann nicht warm? Kühlt man das Wasser langsam ab, so wird es ab 0 °C anscheinend nicht mehr kälter. Die freiwerdende Wärme, während das Wasser gefriert, wirkt dem Abkühlen entgegen. Ist das gesamte flüssige Wasser zu Eis gefroren, so sinkt die Temperatur weiter ab.