Heizen und Antreiben: Unterschied zwischen den Versionen

  Aufgabe 1

Bei den in den folgenden Informationen beschriebenen Vorgängen, finden immer auch chemische Reaktionen statt. Teilweise sogar zwei chemische Reaktionen. Bei allen ist die Umsetzung von Energie von großer Bedeutung.

1. Lies die Materialien in den grauen Kästchen durch und markiere im Text die Stoffe, die an der Reaktion beteiligt sind. Welches davon sind die Edukte und welches die Produkte?
2. Halte die Reaktion(en) als Reaktionsschema im Heft fest (Überschriften nicht vergessen!). Bei Material 2 ist dies nicht möglich, da nicht alle beteiligten Stoffe genannt sind. Halte diese chemischen Reaktionen als Beschreibung fest.
3. Suche in den Texten nach Formulierungen, die beschrieben, ob Energie frei wird oder zugeführt werden muss und trage dies hinter dem Reaktionsschema fest. Beispiel: Edukt + Edukt → Produkt | Energieabgabe

Die Texte können mit Aufgaben als pdf hier heruntergeladen werden.

  Aufgabe 2

Lies im Buch (Chemie heute I) die Seiten 73 und 75 bis 77 und halte die neuen Begriffe mit Definitionen fest, die mit dem Aspekt des Energieumsatzes bei chemischen Reaktionen zu tun haben.

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Stark exotherme Reaktion

Als exotherm (griechisch ἔξω exo ,außen‘ und θερμός thermós ,warm‘, ,heiß‘, ,hitzig‘) bezeichnet man eine chemische Reaktion, wenn deren Produkte einen geringeren Energiegehalt haben als die Ausgangsstoffe. Gelegentlich werden exotherme Reaktionen auch pauschal definiert als Reaktionen, die Wärme abgeben.

In einem Energiediagramm kann man das so darstellen:

Typische exotherme Reaktionen sind:

• Feuer (Verbrennung) sowie
• Abbinden (= Aushärten) von Beton (erwärmt sich messbar, aber ohne Glühen!)

Es erscheint zunächst naheliegend anzunehmen, dass die exothermen Reaktionen gerade diejenigen Reaktionen seien, die freiwillig ablaufen, und dass sie um so heftiger abliefen, je mehr Wärme freigesetzt wird. In vielen Fällen verhalten sich die chemischen Reaktionen auch tatsächlich so. Es gibt aber auch exotherme Reaktionen, bei denen man gar nicht erkennen kann, dass Ernegie abgegeben wird, weil nur wenig Energie frei wird. Ganz freiwillig - also ohne Zutun - laufen aber auch die meisten exotermen Reaktionen nicht ab. Meist bedarf es einer Aktivierungsenergie, die zuerst zugeführt werden muss.

Die Aktivierungsenergie ist eine Art Energie-Barriere, die bei einer chemischen Reaktion von den Reaktionspartnern überwunden werden muss. Allgemein gilt: Je niedriger die Aktivierungsenergie, desto schneller/freiwlliger läuft die Reaktion ab. Im Verlauf einer chemischen Reaktion findet eine Umgruppierung der Atome, von den Edukten hin zu den Produkten statt, wobei alte Verbindungen aufgebrochen und neue Verbindungen geknüpft werden. Die Edukte durchlaufen dabei einen aktivierten Zustand, den sog. Übergangszustand (siehe Abbildung rechts, Kurvenmaximum), dessen Erreichen eine bestimmte Energie (Aktivierungsenergie) erfordert.

Katalysator (von der Katalyse – griechisch κατάλυσις katálysis, deutsch ‚Auflösung‘ mit lateinischer Endung) bezeichnet in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Die Menge an freiwerdender Energie bleibt letztendlich aber identisch.

Seit der Antike werden chemische Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren ausgeführt. Erst Jöns Jakob Berzelius kam 1835 zu der Erkenntnis, dass eine Vielzahl von Reaktionen nur erfolgte, wenn ein bestimmter Stoff zugegen war, der jedoch nicht verbraucht wurde. Seiner Meinung nach wurden diese Stoffe nicht umgesetzt, lieferten jedoch durch ihre Anwesenheit die Energie über ihre katalytische Kraft. Er bezeichnete diese Stoffe als Katalysatoren.

Als Definition sollte man sich merken: Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzt (er hilft sozusagen über den Energieberg). Er nimmt an der Reaktion teil, geht aber am Ende unverändert aus ihr hervor (er nimmt dann von neuem an der Reaktion teil). Die freiwerdende Reaktionsenergie wird nicht verändert. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, es laufen aber auch einige Reaktionen erst dann ab, wenn man eine Katalysator verwendet.

Ein typisches und bekanntes Beispiel ist der Autokatalysator der verhindern soll, dass unverbrannter oder nicht vollständig verbrannter Kraftstoff als Abgas aus dem Auspuff kommt. Hier wird die Reaktion mit Sauerstoff gefördert und so eine vollständige Verbrennung erreicht.

Das Gegenteil von einer Exothermen Reaktion ist eine Endotherme Reaktion. Als endotherm werden in der Chemie Reaktionen bezeichnet, bei denen Energie zugeführt werden muss. Eine endotherme Reaktion ist demnach eine Reaktion, bei der Energie, etwa in Form von Wärme, aus der Umgebung aufgenommen wird. Beispiele für endotherme Reaktionen sind die Photosynthese der Pflanzen oder Gewinnung von Wasserstoff in einer Elektrolyse aus Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie. Dabei entstehen Stoffe, die einen höheren Energieinhalt haben als die Ausgangsstoffe. In den genannten Beispielen werden dabei Stoffe als Energiespeicher verwendet, die dann wiederum bei einer anderen chemischen Reaktion wieder Energie liefern können.

  Aufgabe 3

Um die neuen Begriffe gleich anwenden zu können gibt es ein Zuordnungsquiz.

Für die Physiker ist der Begriff Energie von wichtiger Bedeutung. Auch wenn das Thema im Physik-Unterricht erst später durchgenommen wird, so solltet ihr vorab ein paar Dinge dazu wissen.

Aufgabe 4 Was ihr euch genauer anschauen sollt und ein paar Kontrollfragen dazu gibt es auf der Unterseite Energie in der Physik. Bearbeite alle Quizze auf dieser Seite!

  Aufgabe 5

Den physikalische Aspekt der Energieumwandlungen bei chemischen Reaktion kannst du in einem weiten Quiz noch mal anwenden, bei dem ein paar Filme vorgegeben sind. Zu jedem Film gibt es dann ein paar MultipleChoice-Fragen.

  Aufgabe 5

Führe die drei Experimente durch und betrachte die Videos zu den Experimenten, die du nicht selber durchführen kannst. Halte zu jedem Experiment die Überschrifte und Notizen über die Beobachtungen fest. Nutze dabei auch die Begriffe zum Energieumsatz bei chemischen Reaktionen, die wir besprochen haben.

  Aufgabe 6

Sucht nach praktischen Möglichkeiten, wie man ein Feuer löschen kann. Ordnet dann das Löschverfahren einer Seite des Dreiecks zu, um zu erklären, warum das Löschmittel wirken kann.

Offensichtlich stellt diese Anzahl einen stabilen Zustand dar, denn Edelgase sind sehr reaktionsträge und bilden fast keine Verbindungen.

  Aufgabe 7

Das Video zeigt, wie die Reaktion von Natrium mit Chlor zu Natriumchlorid abläuft.

Schau dir das Video zwei Mal an und halte fest an welchen Stellen eine Energiezufuhr stattfindet und wo Energie freigesetzt wird? Finde Beschreibungen für die einzelnen Schritte, und ob und wie Energie zugeführt oder frei wird.

→ Hier noch ein weiteres Video, wo das Experiment etwas anders durchgeführt wird.

  Aufgabe 8

Die Reaktion von Natrium mit Chlor wird in den zwei Animationen auch auf atomarer Ebene betrachtet. Betrachte auch hier wieder, wie bei der vorherigen Aufgabe, welche Schritte hier stattfinden mit dem Energieumsatz und ergänze eventuell fehlende Schritte in deinen vorherigen Notizen.

• Reaktion Natrium und Chlor zu Natriumchlorid im Video und als Animation

  Aufgabe 9

• Visualisierung: Ionisierungsenergie bei den Alkalimetallen untersuchen

1. Du kannst an einem der Elektronen (orangenes Dreieck) ziehen und wenn du stark genug ziehst, wird das Elektron entfernt. Probiere nun also das "Ionisieren" aus.
2. Notiere, welche bzw.wieviele Elementarteilchen Li, Na und K haben und stelle eine Vermutung an, wie sich das auf die Ionisierungsenergie auswirken könnte. Nutze dazu den Vergleich mit Magneten, deren Nord- und Südpol sich ähnlich anziehen wie positive und ngetaive Teilchen.
3. Rechts in dem Graph kannst du die Ionisierungsenergie von Li, Na und K so anpassen, dass sie zu der Anzahl der Protonen und Elektronen etwa passen. Die anderen Elemente ignorieren wir.
4. Begründe deinem Nachbarn deine Wahl zu den Werten der ionisierungenergie.
5. Suche nun im obigen Graph nach den Ionisierungsenergien von Li, Na und K. Hast du richtig geraten?

<popup_name=Lösung>Je mehr positive und negative Ladungen die Atome haben, desto stärker sollte die Anziehung sein. Daher müsste die Anziehung, also auch die Ionisierungsenergie, von Lithium über das Natrium bis hin zum Kalium zunehmen. Den genauen Wert kann man hier nur raten, aber es sollte in etwa abnehmen, ob proportional oder nicht ist hier egal. Tatsächlich ist es aber anders herum! Die Ionisierungsenergie ist beim Lithium an größten und nimmt dann in der Hauptgruppe immer weiter ab. Kalium hat von den drei Alkalimetallen die nidrigste Ionisierungsenergie. Das ist ein Widerspruch zu unser Überlegung zu der Anziehung von Elektronen und Protonen. Ein Fazit muss sein, dass das bisherige Atommodell entweder einen Fehler hat oder nicht vollständig ist und verbessert werden muss. </popup>

  Aufgabe 10

Betrachte die schon bekannte Darstellung zur Visualisierung der Ionisierungsenergie, nun aber mit dem Schalenmodell

Neues Atommodell mit der Ionisierungsenergie

Überlege dir folgendes und halte es fest:

• Warum ist die benötigte Ionisierungsenergie beim Natlithum so viel kleiner als beim Neon?
• Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode (von links nach rechts) zu?
• Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Hauptgruppe (von oben nach unten) ab?