Heizen und Antreiben

Heizen und Antreiben? ... was hat das mit Chemie zu tun?

Drei wichtige Aspekte, die wir bisher schon bei den anderen Themen angesprochen haben, bringen hier Chemie ins Spiel:

1. Welche Stoffe eigenen sich zum Heizen und Antreiben? Was sind ihre typischen Eigenschaften, die bei der Verwendung eine Rolle spielen?
2. Welche chemischen Reaktionen laufen bei der Benutzung ab?
3. Können wir die Eigenschaften und die Reaktionen auf atomarer Ebene erklären?

Ein wichtiger Aspekt, der hier eine Rolle spielt, den wir bisher noch nicht so intensiv betrachtet haben, ist das Thema "Energie". Dazu eine erste Übung.

Energie bei chemischen Reaktionen

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. 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? 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. 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.

Material 1: Photosynthese

Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem Lichtenergie durch Lebewesen in chemische Energie umgewandelt wird und organische Stoffe synthetisiert werden. ... Die Synthese dieser Stoffe geht überwiegend von der sehr energiearmen anorganischen Kohlenstoff-Verbindung Kohlenstoffdioxid aus. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht – durch Energiezufuhr (Licht) – Traubenzucker (Glucose) und Sauerstoff.

Material 2: Chemische Energie

Verwendung chemischer Energie in technischen Systemen

Aus technischer Sicht ist in Treibstoffen chemische Energie gespeichert, die durch deren Verbrennung, etwa beim Antrieb von Fahrzeugen, in mechanische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen erlauben den Wandel von chemischen Reaktionsenergie einer Verbrennung direkt in elektrische Energie. Bei Nutzung von Batterien wird über elektrochemische Reaktionen die chemische Energie direkt in elektrische Energie gewandelt. Ein Akkumulator verhält sich bei der Nutzung der Energie ähnlich wie eine Batterie, kann aber auch umgekehrt elektrische Energie in chemische wandeln und so speichern.

Verwendung chemischer Energie in biologischen Systemen

Aus biologischer Sicht ist in organischer Nahrung chemische Energie gespeichert, die in ATP als Energieträger umgewandelt wird. Grüne Pflanzen beziehen ihre chemische Energie nicht aus organischer Nahrung, sondern aus dem Energiegehalt der Sonnenstrahlung ...

Material 3: Bleiakku

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku, besonders beim Kfz auch Starterbatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden aus Blei und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht.

Bei der Entladung reagiert Blei mit Sauerstoff zu Bleioxid und löst sich im Elektrolyt auf. Beim Laden wird die Reaktion umgekehrt und es entsteht wieder metallisches Blei.

Material 4: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Wasserstoff scheint eines der Energieträger der Zukunft zu sein. Besonders sauber wird er hergestellt, wenn der für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff benötigte Strom mit Hilfe von Solarzellen gewonnen wird.

Wird das gasförmige Wasserstoff unter Druck verflüssigt, so kann man ihn auch in Tanks füllen und als Treibstoff verwendet werden. Dabei kann der Wasserstoff direkt mit Sauerstoff verbrannt werden oder die, in ihm enthaltene Energie, wird mit Hilfe einer sogenannten Brennstoffzelle in elektrischen Strom verwandelt werden. Und die „Abgase“? Als einziges Reaktionsprodukt entsteht Wasserdampf.

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. Finde Definitionen für innere/chemische Energie, exotherm, endotherm, Aktivierungsenergie, Katalysator, Energiediagramm. Lesetext mit den Informationen anzeigen Lesetext mit den Informationen verstecken 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.

Energie aus physikalischer Sicht

Bei Energie denkt man sicher zuerst an Strom. Sicher bekommt ihr mit, dass andauernd der Begriff Energie in den Nachrichten vorkommt: Energie sparen, Alternative Energie, fossile Energie, Sonnenenergie, ... 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.

Experimente zur Energie bei chemischen Reaktionen

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.

VERSUCH: Sicherheitsinformationen für Experimente Ein Schutzbrille muss verwendet werden. (1) Kupfersulfat und Wasser Verwende bei beiden Versuchen eine Schutzbrille! ACHTUNG:  Kupfersulfat  ist umweltgefährdend und darf deshalb nicht in den Abfluss! Hände nach dem Experiment waschen. Versuch 1: Erhitze in einem waagrecht eingespannten Reagenzglas etwas "blaues Kupfersulfat" (= Kupfersulfat-Hydrat). Beobachte die Farbe des Pulvers bzw. deren Veränderung und die Wand des Reagenzglases im nicht erhitzten Teil. Versuch 2: Versetze in einer kleinen Porzellanschale eine Spatelspitze weißes Kupfersulfat mit wenigen Wassertropfen aus der Plastikpipette und beobachte die Veränderung von Farbe und Temperatur! Nutze die aufgebauten Geräte. Aufräumen: Gib das erhitzte bzw. mit Wasser versetzte Kupfersulfat jeweils in das passende Behältnis und "lege" wieder alle Geräte zurück. Ein Auswaschen ist nicht notwendig. Es reicht die Reste aus zu schütten/klopfen/kratzen.

VERSUCH: Sicherheitsinformationen für Experimente Ein Schutzbrille muss verwendet werden. (2) Verschiedene Metallpulver verglühen lassen Du sollst in diesem Experiment vergleichen, wie heftig die Reaktion verschiedener Metalle beim Verbrennen ist. Schutzbrille verwenden! Sind die Hände gewaschen? Dazu soll das Metallpulver in die Bunsenbrennerflamme gepustet werden. Gehe jeweils so vor: Entzünde beim ersten Man den Bunsenbrenner. bzw. öffne die Luftzufuhr, damit du eine rauschende Flamme hast. Nimm etwas Pulver eines der Metalle in das kürzere abgeknickte Ende des Strohhalm auf. Umschließe mit der Hand die andere Öffnung des Strohhalms, so dass du durch deine Hand in den Strohhalm pusten kannst. Richte die untere Öffnung des Strohhalms auf die Flamme. Puste dann das Metallpulver in die Flamme und beobachte die Heftigkeit der Reaktion. Es darf niemand "hinter" der Flamme stehen, so dass du ihn anpustest! Für jedes Metall sollte ein eigener Strohhalm vorhanden sein! Bitte geht sparsam mit dem Material um. Das Metallpulver ist nicht so sehr billig! Pro Metall sollten zwei Versuche mit kleinen Mengen reichen! Aufräumen: Kehrt den Bereich des Experimentes, damit kein Metallpulver mehr herumliegt. Schaltet den Bunsenbrenner ganz aus, wenn keine Gruppe direkt nach euch dran ist.

VERSUCH: (3) Vergleich der Reaktion verschiedener Metalle mit Schwefel Schau dir die folgenden Experimente an, bei denen Schwefel mit verschiedenen Metallen reagiert. Du findest auf den verlinkten Seiten jeweils den Film sowie noch einmal Bilder aus dem Film, wo die wichtigsten Momente noch einmal festgehalten sind. Es lohnt sich meist die Filme größere anzuschauen und auch die Bilder darunter noch einmal zu betrachten und die Erklärungen durchzulesen. Magnesium, Kupfer, Eisen, Silber, Zink.

VERSUCH: (4) Kettenreaktion Betrachte dir dieses Video, in dem man eine Kettenreaktion beobachten kann. Überlege dir dazu folgendes und notiere es: Wenn man das Verbrennen aller Streichhölzer von weit entfernt betrachten würde, kann man nicht die einzelnen Streichhölzer erkennen. Man könnte den Vorgang dann als eine chemische Reaktion betrachten. Ist diese Reaktion dann exotherm oder endotherm. Welche Bedeutung hat das Entzünden des ersten Streichholzes? Wie trägt das Entzünden jedes einzelnen Streichholzes zur Fortsetzung der "Reaktion" bei?

VERSUCH: Sicherheitsinformationen für Experimente Ein Schutzbrille muss verwendet werden. (5) Zucker verbrennt mit Hilfe von Asche Verwende bei beiden Versuchen eine Schutzbrille! Nimm eines der frischen Würfelzuckerstückchen. Versuch 1: Nutze den kleinen Gasbrenner und versuche den Zucker auf der unbrennbaren Unterfläche zu entzünden, indem du ihn stark erhitzt. Versuch 2: Gib nun etwas von der Asche auf das Zuckerstücken und versuche erneut den Zucker entzünden. Es sollte kein Haufen Asche sein, sondern dünn über die Zuckeroberfläche verteilt werden. Ein ähnliches Experiment kannst du dir hier ansehen. Das solltest du auch tun, da man hier noch besser die Wirkung der Asche beobachten kann.

Brandbekämpfung - praktisch und theoretisch

Ein Feuer kann nur brennen, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind:

Umgekehrt kann ein Feuer gelöscht werden, wenn eines der drei Bedingungen nicht erfüllt ist.

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.

Warum reagieren Stoffe miteinander?

Erst einmal zu den Ionen - Was steckt da dahinter?

Edelgasregel: Die meisten Ionen der Hauptgruppen nehmen Elektronen auf oder geben sie ab, um die gleiche Elektronenkonfiguration wie benachbarte Edelgase zu erreichen. Offensichtlich stellt diese Anzahl einen stabilen Zustand dar, denn Edelgase sind sehr reaktionsträge und bilden fast keine Verbindungen.

Reaktion von Natrium mit Chlor - wo ist da Energie im Spiel

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

Ionisierungsenergie

Ein Aspekt, der bei der Einzelbetrachten Schritte zur Kochsalz-Synthese war die Tatsache, dass das Entfernen eines Elektrons aus einem Atom Energie "kostet". Und das erscheint logisch, denn der Kern mit den positiv geladenen Protonen zieht die Elektronen in der Atomhülle an. Generell nennt man die benötigte Energie Ionisierungsenergie. Die Defintion lautet genau:

Ionisierungsenergie nennt man die Energie, die man benötigt um eine Elektron aus dem Atom zu entfernen.

Was sicher auch logisch ist, ist dass die Ionisierungsenergie nicht immer identisch ist, denn wir haben ja ganz unterschiedliche Atome mit unterschiedlich vielen Protonen und Elektronen. Das folgende Diagramm zeigt die Ionisierungsenergie in Abhängigkeit der Kernladungszahl bzw. dem Element.

Nun sollst du schauen, ob du erklären und verstehen kannst, wie die Ionisierungsenergie der verschiedenen Elemente erklärt werden kann.

Die folgende verlinkten Darstellungen ermöglichen es dir, den Vorgang der Ionisierung, also das Entfernen eines Elektrons, zu visualisieren und nachzuvollziehen. Wir konzentrieren uns auf die ersten Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe, also Lithium Li, Natrium Na und Kalium K.

Aufgabe 9 Visualisierung: Ionisierungsenergie bei den Alkalimetallen untersuchen 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. 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. 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. Begründe deinem Nachbarn deine Wahl zu den Werten der ionisierungenergie. 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>

Das Schalenmodell ist ein Atommodell, bei dem sich die Elektronen in der Hülle auf konzentrischen Schalen verteilen, ähnlich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Jede Schale ist der räumliche Aufenthaltsbereich von Elektronen mit ähnlichen Bindungsenergien. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird K-Schale genannt. Sie enthält maximal zwei Elektronen. Auf der nächsten Schale, der L-Schale finden maximal acht Elektronen Platz. Je weiter die Schalen vom Kern entfernt sind, desto mehr Platz ist für Elektronen vorhanden. Auf die n-te Schale passen 2n² Elektronen.

Und wie passt das nun mit der Ionisierungsenergie zusammen?

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?

MERKE: Bei allen Elementen der Hauptgruppe gilt, dass die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale der Nr. der Hauptgruppe entspricht!

Schalenmodell

Spektren bei Flammenfärbungen weisen auf das Schalenmodell hin

• Animation zu der Funktion bei Gasentladungslampen

Die Natriumchloridsynthese im Schalenmodell

• Reaktion von Natrium mit Chlor im Schalenmodell

Atombindungen

Kugelwolkenmodell für die Erklärung von Mehfachbindungen

Ihr könnt auf dieser Seite (aktuell noch schreibgeschützt!) selber die Atome, die im Kugelwolkenmodell dargestellt sind, verschieben und zu Molekülen zusammenlegen.

Videos zum Kugelwolkenmodell:

Ausgleichen von Reaktionsgleichungen

Das Ausgleichen von Reaktionsgleichungen ist eine typische Übung, die in Chemie immer wieder vorkommt. Wie du schon bei den Überlegungen zur Verbrennungsenergie kennengelernt hast, ist das zum Beispiel wichtig, damit man die genaue Anzahl an Bindungen in den Molekülen kennt. Später wird es noch wichtig für Mengen-Berechnungen sein, um z.B. vorher ausrechnen zu können, wieviel man von welchem Ausgangsstoffe braucht, um eine bestimmte Menge eines Produktes zu bekommen.

Auf der folgenden Unterseite bekommst du eine ausführliche Einführung mit vielen Vorübungen, damit du zum Profi im Ausgleichen von Reaktionsgleichungen wirst.

• Ausgleichen von Reaktionsgleichungen üben

Wichtig für die Reaktionsgleichungen ist das Verständnis für die Symbolschreibweise. Wenn du da nicht sicher bist, solltest du auf dieser Seite noch einmal alles durchgehen.