Auch wenn man unter Chemie “die Lehre von den Eigenschaften (und dem Aufbau) der Stoffe und von deren Veränderung” versteht, so verläuft keine chemische Reaktion, ohne das Energie benötigt oder erzeugt wird. Im Rahmen des Physikunterrichts kennt man viele Formen der Energie, im Rahmen des Chemieunterrichts sind “die chemische Energie”, die “thermische Energie”, die “elektrische Energie” und die “Strahlungsenergie” von Bedeutung.
Dies liegt daran, dass Energie bei chemischen Reaktionen in Form von Wärme, Licht (= Strahlungsenergie), Volumenarbeit (z.B. Kolbenbewegung bei Verbrennungsmotoren) oder elektrischer Energie aufgenommen bzw. abgegeben werden.
Analog wie bei der Betrachtung von Energie(formen) im Physikunterricht, gibt auch im Chemieunterricht, dass die Energie eines Körpers auch in andere Energieformen umgewandelt werden. So wird beispielsweise beim Verbrennen von Kohle die gespeicherte chemische Energie in thermische Energie und Lichtenergie umgewandelt. Dieses Reaktionsbeispiel zeigt (auch), dass es unmöglich ist, eine Energieform in eine andere Energie vollständig umzuwandeln
Bei jeder chemischen Reaktion erfolgt in den Ausgangsstoffen ein “Bindungsbruch”, d.h. es erfolgt eine Umgruppierung von Teilchen zu einem neuen Reaktionsprodukt. Beim “Bruch” und “Neuausbildung” der chemischen Bindungen ist Energie erforderlich bzw.Energie wird freigesetzt. Daher teilt man chemische Reaktionen in exotherme und endotherme Reaktionen.
Hinweis: Egal ob wir eine exotherme oder endotherme Reaktion vorliegen haben, muss in der Regel immer eine sogenannte Aktivierungsenergie zugeführt werden, damit die Ausgangsstoffe miteinander reagieren. Beispiel: Die Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff (= Knallgasreaktion) ist eine stark exotherme Reaktion, läuft aber erst nach Zufuhr von Aktivierungsenergie (z.B. Zündung des Gasgemisches) beobachtbar schnell ab.
Chemische Energie
Jeder Stoff, ob Ausgangsstoff oder Reaktionsprodukt hat eine gewisse chemische Energie. Diese chemische Energie eines Stoffes setzt sich aus der kinetischen Energie der einzelnen Stoffteilchen und den Anziehungskräften zwischen diesen Teilchen zusammen. Unter der chemischen Energie eines Stoffes versteht man die durch eine chemische Reaktion freisetzbare Energie. Bei einer chemischen Reaktion wird die chemische Energie der Produkte von der chemischen Energie der Ausgangsstoffe abgezogen. Diese Energiedifferenz wird auch als Reaktionswärme bezeichnet. Findet die chemische Reaktion unter konstantem Druck statt (was oft der Fall ist, wenn die Reaktion nicht in einem geschlossenen Gefäß durchgeführt wird), so bezeichnet man in diesem Fall die Reaktionswärme der Reaktion auch als Reaktionsenthalpie.
Thermisch Energie
So wie jeder Stoff eine chemische Energie besitzt, besitzt auch jeder Stoff eine bestimmte thermische Energie (die thermische Energie wird auch oft als Wärmeenergie bezeichnet). Die thermische Energie ist dabei die Energie, die in der (ungeordneten) Bewegung der Teilchen eines Stoffes resultiert. Dies kennen wir beispielsweise auf dem “einfachen Teilchenmodell”. Führen wir einem Stoff Wärme (also thermische Energie) zu, so steigt die kinetische Energie der Teilchen (die Teilchen bewegen sich bei höherer Temperatur schneller). Man kann daher sagen, dass die thermische Energie eine kinetische Energie von Teilchen ist, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur besitzt. Die thermische Energie eines Körpers ist daher die Summe der (kinetischen) Energien all seiner Teilchen.
Elektrische Energie
Die Erzeugung von elektrischer Energie durch chemische Reaktion spielt vor allem in der Elektrochemie eine bedeutende Rolle (“Stromversorgung” durch Batterien). Bei jeder sogenannten Redoxreaktion läuft eine Reduktion und Oxidation ab. Jede Redoxreaktion ist auch eine Elektronenübertragungsreaktion bei der Elektronen übertragen werden. Lässt man nun die Reduktion und die Oxidation an zwei getrennten Orten ablaufen (die aber dennoch miteinander gekoppelt sind), so kann man die Reaktionsenergie in Form von elektrischer Energie (die Elektronen) nutzbar machen. Handelt es sich bei der Redoxreaktion um eine endotherme Reaktion, d.h. es muss “elektrische Energie” zugeführt werden, bezeichnen wir diese Reaktion als Elektrolyse. Liegt eine exotherme Reaktion vor, d.h. es wird “elektrische Energie” freigesetzt, so sprechen wir von einer galvanischen Reaktion.
Strahlungsenergie
Obwohl wir beispielsweise aus der Biologie solche Reaktionen kennen (Photosynthese) beschäftigen sich Schüler mit der Strahlungsenergie bei chemischen Reaktionen erst im fortgeschrittenen Chemieunterricht. Dies liegt auch daran, dass hierzu die Kenntnis von modernen Atommodellen vorausgesetzt ist. So versteht man unter Strahlung (neben sichtbarem Licht) auch Alpha-, Beta und Gammastrahlung. Dabei liegt beispielsweise ein Verständnisproblem daran, dass Alpha- und Betastrahlung Teilchenstrahlungen sind (d.h. es handelt sich bei dieser Strahlung um einen schnellen Fluss bewegter Teilchen, in diesem Fall also Heliumatomkerne bzw. Elektronen). Gammastrahlung hingegen ist eine elektromagnetische Strahlung, d.h. die Energie liegt in Form von elektromagnetischen Wellen vor (die Vorstellung der Alpha-, Beta- und Gammastrahlung geht natürlich über den Lehrplan der Allgemeinen Chemie hinaus, ist aber durchaus von Interesse).
Im Rahmen der Allgemeinen Chemie beschäftigt man sich bei der Strahlungsenergie bei chemischen Reaktionen hauptsächlich im Bereich des sichtbaren Lichts (bzw. auch im Bereich der UV-Strahlung). Wie eingangs erwähnt, setzt beispielsweise die Verbrennung von Kohle “Strahlungsenergie” frei (es “entsteht” Licht). Ein anderes Beispiel ist die Photosynthese, für deren Ablauf “Lichtenergie” benötigt wird.
Hinweis für Interessierte:
Im letzten Kapitel (Strahlungsenergie) haben wir gesehen, dass wir Energieformen “auf stofflicher” und “auf atomare” Ebene betrachten können. Betrachten wir nur Stoffe (die sogenannte makroskopische Welt), so sprechen wir bei Energieformen über chemische-, thermische-, elektrische, kinetische und Strahlungsenergie (im Rahmen des Chemieunterrichtes). Im Rahmen des fortgeschrittenen Chemieunterrichts betrachten wir uns aber nicht nur Stoffe, sondern auch die Stoffteilchen, aus denen der Stoff besteht. In diesen Fall sprechen wir dann von anderen Energieformen wir Bindungsenergie
Chemische Energie bezieht sich auf die Energie, die in den Bindungen der chemischen Substanzen gespeichert ist und während chemischen Reaktionen freigesetzt oder aufgenommen wird.
Potentielle Energie ist die gespeicherte Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld (wie z.B. Gravitation) oder aufgrund interner Spannungen hat.
Kinetische Energie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung hat. Je schneller das Objekt sich bewegt, desto mehr kinetische Energie besitzt es.
Thermische Energie ist die Energie, die sich aus der Bewegung von Atomen und Molekülen in einem Objekt ergibt. Es wird oft mit der Temperatur eines Objekts in Verbindung gebracht.
In einer exothermen Reaktion wird Energie an die Umgebung abgegeben, während in einer endothermen Reaktion Energie aus der Umgebung aufgenommen wird.
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
Eine positive ΔH zeigt eine endotherme Reaktion an (Energie wird absorbiert), während eine negative ΔH eine exotherme Reaktion anzeigt (Energie wird freigesetzt).
Die Energieverteilung bei Gasen ist durch die Boltzmann-Verteilung bestimmt, die besagt, dass Gas-Moleküle bei einer bestimmten Temperatur unterschiedliche Geschwindigkeiten und damit auch unterschiedliche kinetische Energien haben.
Aktivierungsenergie ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um eine chemische Reaktion zu starten, indem sie die Ausgangsstoffe in einen Übergangszustand versetzt.
Ein Katalysator vermindert die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion, indem er einen alternativen Reaktionspfad mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie bereitstellt, wodurch die Reaktion schneller ablaufen kann.