Energie bei chemischen Reaktionen

Beim Ablauf chemischer Reaktionen laufen Stoffumwandlungsprozesse der Ausgangsstoffe (Edukte) zu neu gebildeten Stoffen (Produkte) ab. Daneben laufen bei jeder chemischen Reaktion auch energetische Prozesse ab.

Betrachten wir zunächst die innere Energie eines Stoffes.
Diese ist von unterschiedlichen Zustandsgrößen abhängig:

  • Volumen (V),
  • Druck (p),
  • Stoffmenge (n) bzw. Masse (m)
  • Temperatur (T)

Zusammengesetzt ist dabei die innere Energie – oft mit dem Formelsymbol U bezeichnet - aus verschiedenen Energiearten.
Es gilt:

 

U = E(chemisch) + E(Kern) + E(thermisch)


Sie setzt sich also aus der Summe aus dessen chemischen Energie, Kernenergie und thermischen Energie zusammen.
Die Kernenergie selbst ist dabei eher Gegenstand der Nuklearenergie und soll nicht weiter betrachtet werden.
Unter dem Begriff chemische Energie fallen potentielle Energien von Atomkernen oder Atomen, von Ionenbindungen und allgemein zwischenmolekularen Kräften. Auch sogenannte Schwingungsenergien oder Rotationsenergien von Bindungen fallen darunter.

Änderung der inneren Energie bei chemischen Reaktionen

Für die innere Energie eines Stoffes gibt es keinen Absolutwert – vielmehr wird nur die Änderung der inneren Energie (ΔU) gemessen.

Wie bereits erwähnt, finden bei chemischen Reaktionen, also Stoffumwandlungsprozessen, auch energetische Umwandlungen statt. Wird sich nun auf ein geschlossenes System und dessen Ausgangsstoffe (Edukte) und deren Reaktionsprodukte (Produkte) fokussiert, so gilt für deren Änderung der inneren Energie:


ΔU = ∑ (U2) – ∑ (U1)


Wobei U2: Summe der inneren Energie der Produkte; U1: Innere Energie der Edukte bzw. Reaktanden

Die Reaktionsenergie ΔU misst also die Energieänderung der Produkte zu den Edukten.
Findet bei der chemischen Reaktion bei konstantem Druck zudem keine Volumenänderung ΔV statt, dann kann die Änderung der inneren Energie mit der Änderung der Enthalpie (H) gleichgesetzt werden. Dies ist bei den meisten chemischen Reaktionen der Fall.
Dann gilt:


ΔU = ΔH


Für die Reaktionsenergie wird gerne auch das Formelsymbol ΔEi. Für die Reaktionsenergie ΔEi gilt bei Reaktionen mit konstantem Druck (Δp=0):


ΔEi = Q = -cw · m · ΔT

(wobei cw spezifische Wärmekapazität des betrachteten Stoffes)

Endotherme und Exotherme Reaktionen

Betrachtet man nun eine chemische Reaktion, dann gilt für deren Reaktionsenthalpie:

ΔHR = H(Produkte) – H(Reaktanden)

Hier trifft man auch oft auf das Formelsymbol ΔHr0. Dies bezeichnet die Standardreaktionsenthalpie einer Reaktion, die unter chemischen Standardbedingungen abläuft – also bei T = 298,15 K und p = 1,013 bar.
In der Chemie wird jedoch häufiger die molare Reaktionsenthalpie ΔHRm verwendet. Diese wird in der Einheit Joule/mol angegeben.

Betrachten wir nun eine chemische Reaktion und bilden deren Reaktionsenthalpie, dann können folgende zentralen Szenarien abgeleitet werden:


ΔHR = H(Produkte) – H(Reaktanden)

Exotherme Reaktion

Fall 1: ΔHR kleiner als 0


Wird die Reaktionsenthalpie negativ, dann haben die Produkte der chemischen Reaktion eine insgesamt niedrigere innere Energie als deren Reaktanden. Es wird während der Reaktion also Energie abgegeben bzw. frei.
Hier spricht man auch von einer exothermen Reaktion.

Exotherme Reaktion als Energiediagramm

Endotherme Reaktion

Fall 2: ΔHR größer als 0

In diesem Fall weisen die Produkte einer höhere Energie als die Ausgangsstoffe auf. Während der chemischen Reaktion wird also Energie aufgenommen. Diese Art der Reaktionen werden als endotherme Reaktionen bezeichnet.

Endotherme Reaktion als Energiediagramm.

Erklärung

Die Energie, die während einer chemischen Reaktion frei bzw. benötigt wird, zeigt sich oft als Temperaturerhöhung bzw. Erniedrigung. So wird bei einer exothermen Reaktion Wärme frei und an die Umgebung abgegeben. Klassisches Beispiel für eine exotherme Reaktion ist die Verbrennung von Kühle mit Sauerstoff.

Bei einer endothermen Reaktion wird dagegen Wärme von der Umgebung benötigt. Als Beispiel kann hier die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid genannt werden. Hier muss dem Prozess entsprechend Wärmeenergie zugeführt werden.

Bei vielen chemischen Reaktionen ist darüber hinaus noch eine Energie zum Start der Reaktion einzubringen. Hier wird von der Aktivierungsenergie gesprochen. Diese versetzt das System in einen instabilen Zustand und die Reaktion kann entsprechend ablaufen.