Exotherme Reaktionen - Chemie 1

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Exotherme Reaktionen begegnen Dir beim Verbrennen einer Kerze, beim Rosten von Eisen, bei einer Neutralisation oder in einem selbstheizenden Essenspaket. Dabei gibt das betrachtete chemische System Energie an seine Umgebung ab. Meist bemerkst Du das als Wärme, manchmal zusätzlich als Licht oder Schall.

Dieser aiMOOC richtet sich an Schülerinnen und Schüler im Fach Chemie. Du lernst, exotherme Reaktionen zu erkennen, Energiediagramme zu lesen, die Rolle der Aktivierungsenergie zu erklären und einfache Temperaturmessungen auszuwerten.

Was bedeutet exotherm?

Das Wort exotherm bedeutet sinngemäß „Wärme nach außen“. Bei einer exothermen Reaktion fließt Energie vom System zur Umgebung. Das System umfasst die reagierenden Stoffe. Zur Umgebung gehören zum Beispiel das Reagenzglas, das Wasserbad, die Luft und das Thermometer.

Die Temperatur der Umgebung steigt häufig an. Ein Temperaturanstieg ist jedoch nur ein beobachtbares Zeichen. Die eigentliche Definition lautet: Das System gibt Energie an die Umgebung ab.

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Reaktionsenthalpie und Energieniveau

Die Energieänderung einer Reaktion wird häufig durch die Reaktionsenthalpie beschrieben:

$\Delta H_{\mathrm{R}}=H_{\mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{k}\mathrm{t}\mathrm{e}}-H_{\mathrm{E}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{k}\mathrm{t}\mathrm{e}}$

Bei einer exothermen Reaktion gilt:

$\Delta H_{\mathrm{R}}<0$

Die Produkte liegen energetisch tiefer als die Edukte. Die Energiedifferenz wird an die Umgebung abgegeben. Im Energiediagramm erkennst Du das daran, dass die Produktlinie unter der Eduktlinie liegt.

Merksatz: Exotherm bedeutet Energieabgabe und eine negative Reaktionsenthalpie.

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Warum wird Energie frei?

Bei einer chemischen Reaktion werden alte Bindungen gelöst und neue Bindungen gebildet. Das Lösen von Bindungen benötigt Energie. Das Bilden neuer Bindungen setzt Energie frei.

Eine Reaktion ist insgesamt exotherm, wenn bei der Bildung der neuen Bindungen mehr Energie frei wird, als zum Lösen der alten Bindungen benötigt wurde. Entscheidend ist also die gesamte Energiebilanz.

Aktivierungsenergie: Warum muss man manche Reaktionen erst starten?

Auch eine exotherme Reaktion beginnt nicht immer von selbst. Häufig muss zuerst eine Energiebarriere überwunden werden. Diese Startenergie heißt Aktivierungsenergie. Ein Funke, eine Flamme, Reibung oder Erwärmung kann sie liefern.

Ein gutes Beispiel ist Methan: Die Verbrennung setzt viel Energie frei, aber ein Gemisch aus Methan und Sauerstoff benötigt zunächst eine Zündquelle. Exotherm bedeutet deshalb nicht automatisch schnell oder selbststartend.

Typische exotherme Reaktionen

Verbrennung von Methan

Bei einer vollständigen Verbrennung von Methan entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Die Reaktion setzt Wärme frei. Eine Flamme zeigt außerdem, dass ein Teil der Energie als Licht abgegeben wird.

Verbrennung von Magnesium

Magnesium reagiert mit Sauerstoff zu Magnesiumoxid:

$\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{O}$

Dabei entsteht sehr helles Licht. Das Experiment darf nur unter fachkundiger Aufsicht und mit geeignetem Augenschutz durchgeführt werden. Brennendes Magnesium darf nicht direkt betrachtet werden.

Oxidation von Eisen

Auch die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff ist exotherm. Bei brennender Stahlwolle läuft die Oxidation schnell ab und die Energieabgabe ist deutlich sichtbar. Beim Rosten geschieht eine verwandte Oxidation viel langsamer. Die Wärme verteilt sich dabei so stark, dass Du kaum eine Temperaturerhöhung bemerkst.

Synthese von Zinksulfid

Zink und Schwefel reagieren nach dem Start zu Zinksulfid:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{\to }\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}$

Die Reaktion setzt deutlich Energie frei. Sie darf wegen heißer Stoffe, Rauchentwicklung und möglicher Spritzer nur als beaufsichtigter Demonstrationsversuch stattfinden.

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Neutralisation

Bei der Reaktion einer Säure mit einer Lauge entstehen in vielen Fällen Wasser und ein Salz. Ein Beispiel ist:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

In wässriger Lösung ist besonders die Bildung von Wasser aus Oxonium- und Hydroxid-Ionen für die Wärmeabgabe wichtig:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Eine Neutralisation mit ätzenden Stoffen gehört in den beaufsichtigten Chemieunterricht. Schutzbrille und geeignete Schutzkleidung sind erforderlich.

Löschen von Branntkalk

Calciumoxid reagiert mit Wasser zu Calciumhydroxid:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}$

Diese Reaktion ist stark exotherm. Deshalb können sich Gefäß und Reaktionsgemisch stark erhitzen. Der Versuch gehört ausschließlich in fachkundige Hände.

Datei:09. Гасење вар како силно егзотермен процес.webm

Exotherme Vorgänge ohne eindeutige Stoffumwandlung

Nicht jede Energieabgabe ist automatisch eine chemische Reaktion. Der Begriff exotherm beschreibt zunächst den Energiefluss. Für eine chemische Reaktion muss zusätzlich eine Stoffumwandlung vorliegen.

Exotherme Lösungsvorgänge

Auch beim Lösen eines Stoffes kann Wärme frei werden. Beim Lösen von Calciumchlorid in Wasser steigt die Temperatur häufig an. Dabei wird das Ionengitter getrennt und die Ionen werden von Wassermolekülen umgeben. Ist die frei werdende Hydratationsenergie größer als die benötigte Trennenergie, ist der Lösungsvorgang exotherm.

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Taschenwärmer durch Kristallisation

Ein Natriumacetat-Taschenwärmer wird bei der Kristallisation warm. Dabei entstehen keine neuen Stoffe; es handelt sich um einen exothermen physikalischen Vorgang. Das Beispiel zeigt den Unterschied zwischen Energieabgabe und Stoffumwandlung.

Datei:Hand warmer activation.webm

Anwendungen im Alltag und in der Technik

Exotherme Reaktionen liefern nutzbare Wärme. Brennstoffe werden zum Heizen, Kochen und Antreiben von Motoren eingesetzt. Selbstheizende Mahlzeiten nutzen kontrollierte Reaktionen, um Wärme ohne offene Flamme bereitzustellen. Einige Systeme verwenden dabei die exotherme Reaktion von Magnesium mit Wasser in einer salzhaltigen Mischung.

Die Energienutzung hat auch Folgen. Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe entsteht meist Kohlenstoffdioxid. Bei unvollständiger Verbrennung können außerdem Kohlenstoffmonoxid und Ruß entstehen. Deshalb gehören Energieeffizienz, Klimaschutz und sichere Abgasführung zur technischen Bewertung exothermer Reaktionen.

Verbrennungsdreieck und Brandschutz

Für eine Verbrennung werden Brennstoff, Sauerstoff und genügend Aktivierungsenergie benötigt. Das Verbrennungsdreieck zeigt diese drei Voraussetzungen. Wird eine Voraussetzung entfernt, kann die Verbrennung gestoppt werden. Wasser kühlt viele Brände, eine Löschdecke trennt den Brennstoff vom Sauerstoff. Nicht jedes Löschmittel eignet sich für jede Brandart.

Katalysatoren

Ein Katalysator ermöglicht einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Dadurch kann eine Reaktion schneller oder bei niedrigerer Temperatur ablaufen. Der Katalysator verändert jedoch nicht die Energiedifferenz zwischen Edukten und Produkten. Die Reaktionsenthalpie bleibt gleich.

Merksatz: Ein Katalysator senkt die Energiebarriere, aber nicht die frei werdende Reaktionsenergie.

Temperaturmessung im Kalorimeter

Mit einem Kalorimeter kann die Wärme einer Reaktion näherungsweise bestimmt werden. Bei einem einfachen Schulversuch befinden sich die reagierenden Lösungen in einem gut isolierten Gefäß. Du misst die Temperatur vor und nach dem Mischen.

Für eine Flüssigkeit kann die aufgenommene Wärme näherungsweise berechnet werden:

$Q=m\cdot c\cdot \Delta T$

Dabei ist $m$ die Masse, $c$ die spezifische Wärmekapazität und $\Delta T$ die Temperaturänderung. Erwärmt sich die Umgebung, ist ihre Wärmeaufnahme positiv. Für die Reaktion gilt näherungsweise:

$Q_{\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{k}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}}\approx -Q_{\mathrm{U}\mathrm{m}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{b}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{g}}$

Diese Näherung wird ungenauer, wenn Wärme an die Luft, das Gefäß oder das Thermometer verloren geht.

Rechenbeispiel

Eine wässrige Lösung mit einer Masse von $100\mathrm{g}$ erwärmt sich um $5\mathrm{K}$. Verwende näherungsweise $c=\mathrm{4,18}\mathrm{J}{\mathrm{g}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}{\mathrm{K}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$:

$Q=100\mathrm{g}\cdot \mathrm{4,18}\mathrm{J}{\mathrm{g}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}{\mathrm{K}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}\cdot 5\mathrm{K}=2090\mathrm{J}$

Die Lösung hat etwa $\mathrm{2,09}\mathrm{k}\mathrm{J}$ aufgenommen. Die Reaktion hat näherungsweise denselben Energiebetrag abgegeben. Ihr Vorzeichen ist daher negativ.

Exotherm und endotherm im Vergleich

Merkmal	Exotherme Reaktion	Endotherme Reaktion
Energiefluss	Energie an die Umgebung	Energie aus der Umgebung
Reaktionsenthalpie	$\Delta H<0$	$\Delta H>0$
Energieniveau der Produkte	niedriger als das der Edukte	höher als das der Edukte
häufige Beobachtung	Umgebung wird wärmer	Umgebung wird kälter
Beispiel	Verbrennung	thermische Zersetzung von Calciumcarbonat

Sicher experimentieren

Exotherme Reaktionen können kontrolliert nützlich, bei falscher Durchführung aber gefährlich sein. Arbeite nur nach Versuchsanleitung, trage eine Schutzbrille und halte die Stoffmengen klein. Unbekannte Stoffe dürfen nicht gemischt werden. Versuche mit offener Flamme, konzentrierten Säuren, Laugen, Branntkalk oder Metallpulvern gehören ausschließlich unter fachkundige Aufsicht.

Zusammenfassung

Eine exotherme Reaktion gibt Energie an die Umgebung ab. Ihre Reaktionsenthalpie ist negativ und die Produkte liegen energetisch tiefer als die Edukte. Trotzdem kann Aktivierungsenergie nötig sein. Katalysatoren senken diese Startbarriere, verändern aber nicht die Reaktionsenthalpie. Temperaturmessungen und Energiediagramme helfen Dir, die Energieänderung zu untersuchen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was kennzeichnet eine exotherme Reaktion? (Sie gibt Energie an die Umgebung ab) (!Sie nimmt immer Licht auf) (!Sie bildet grundsätzlich ein Gas) (!Sie läuft immer ohne Startenergie ab)

Welches Vorzeichen hat die Reaktionsenthalpie einer exothermen Reaktion? (Sie ist negativ) (!Sie ist immer null) (!Sie ist positiv) (!Sie besitzt kein Vorzeichen)

Wie liegen die Produkte im Energiediagramm einer exothermen Reaktion? (Sie liegen unterhalb der Edukte) (!Sie liegen immer auf gleicher Höhe) (!Sie liegen oberhalb der Edukte) (!Sie liegen außerhalb des Diagramms)

Was ist Aktivierungsenergie? (Die Energie zum Überwinden der Startbarriere) (!Die gesamte Masse der Produkte) (!Die Temperatur nach der Reaktion) (!Die Energie eines Katalysators nach der Reaktion)

Was bewirkt ein Katalysator? (Er senkt die Aktivierungsenergie) (!Er macht die Reaktionsenthalpie positiver) (!Er erhöht die Masse der Produkte) (!Er wird vollständig verbraucht)

Welche Reaktion ist typischerweise exotherm? (Die Verbrennung von Methan) (!Die thermische Zersetzung von Kalkstein) (!Das Schmelzen von Eis) (!Das Verdampfen von Wasser)

Was zeigt ein Temperaturanstieg der Umgebung bei guter Isolation an? (Die Reaktion hat Wärme abgegeben) (!Die Reaktion hat Wärme aufgenommen) (!Es fand sicher keine Stoffumwandlung statt) (!Die Masse ist verschwunden)

Was geschieht beim Bilden neuer chemischer Bindungen? (Energie wird frei) (!Energie wird grundsätzlich vernichtet) (!Die Atome verlieren ihre Masse) (!Die Temperatur wird immer null)

Warum ist ein Natriumacetat-Taschenwärmer keine chemische Reaktion? (Die Erwärmung entsteht durch Kristallisation ohne neue Stoffe) (!Er enthält überhaupt keine Teilchen) (!Er gibt keine Energie ab) (!Er kann nicht wiederverwendet werden)

Wie kann eine Verbrennung häufig gestoppt werden? (Eine Voraussetzung des Verbrennungsdreiecks wird entfernt) (!Die Aktivierungsenergie wird vergrößert und Sauerstoff zugeführt) (!Der Brennstoff wird zusätzlich erwärmt) (!Es wird mehr Luft zugeführt)

Memory

Exotherm	Energieabgabe
Aktivierungsenergie	Startbarriere
Katalysator	alternativer Reaktionsweg
Edukte	Ausgangsstoffe
Produkte	entstehende Stoffe
Kalorimeter	Wärmemessgerät
Reaktionsenthalpie	Energiedifferenz

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Exotherme Reaktion	gibt Energie an die Umgebung ab
Endotherme Reaktion	nimmt Energie aus der Umgebung auf
Aktivierungsenergie	muss zum Start überwunden werden
Katalysator	senkt die Energiebarriere
Temperaturanstieg	mögliches Zeichen einer Wärmeabgabe

...

Kreuzworträtsel

Enthalpie	Welche Energiegröße wird bei konstantem Druck häufig für Reaktionen betrachtet?
Edukte	Wie heißen die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion?
Produkte	Wie heißen die bei einer Reaktion entstehenden Stoffe?
Katalysator	Welcher Stoff senkt die Aktivierungsenergie?
Kalorimeter	Welches Gerät dient zur Messung von Wärmemengen?
Verbrennung	Welche Reaktionsart mit Sauerstoff setzt meist Wärme frei?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Bei einer exothermen Reaktion wird Energie an die abgegeben. Die Reaktionsenthalpie ist dabei . Die Produkte liegen energetisch als die Edukte. Zum Start ist häufig nötig. Ein Katalysator senkt die . Im Kalorimeter zeigt ein Temperaturanstieg eine an. Beim Bilden neuer Bindungen wird Energie . Ein Natriumacetat-Taschenwärmer erwärmt sich durch .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Alltagschemie: Fotografiere oder skizziere drei Alltagssituationen, in denen Energie durch einen chemischen Vorgang frei wird, und begründe Deine Auswahl.
2. Energiediagramm: Zeichne ein einfaches Energiediagramm einer exothermen Reaktion und beschrifte Edukte, Produkte, Aktivierungsenergie und Reaktionsenthalpie.
3. Brandschutz: Gestalte ein Lernplakat zum Verbrennungsdreieck und erkläre zu jeder Ecke eine passende Löschstrategie.
4. Begriffsnetz: Erstelle ein Begriffsnetz mit Exothermie, Umgebung, Enthalpie, Aktivierungsenergie und Katalysator.

Standard

1. Temperaturmessung: Plane mit Deiner Lehrkraft einen sicheren Versuch zur Temperaturänderung bei einer Neutralisation oder einem Lösungsvorgang und erstelle eine Messwerttabelle.
2. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, das den Unterschied zwischen exotherm und endotherm mit einem Energiediagramm erklärt.
3. Taschenwärmer: Untersuche, warum ein Natriumacetat-Taschenwärmer warm wird, und grenze den Vorgang von einer chemischen Reaktion ab.
4. Interview: Befrage eine Fachkraft aus Feuerwehr, Labor oder Technik zur sicheren Nutzung exothermer Reaktionen und fasse die wichtigsten Aussagen zusammen.

Schwer

1. Kalorimetrie: Werte Messdaten mit $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$ aus, diskutiere Wärmeverluste und schätze die Unsicherheit des Ergebnisses.
2. Katalyse: Entwickle ein Modell oder eine Animation, die zwei Reaktionswege mit und ohne Katalysator vergleicht.
3. Nachhaltigkeit: Vergleiche zwei technische Wärmequellen hinsichtlich Energieausbeute, Rohstoffen, Emissionen, Sicherheit und Wiederverwendbarkeit.
4. Versuchsplanung: Entwirf eine kontrollierte Untersuchung zum Einfluss der Stoffmenge auf die Temperaturänderung einer exothermen Reaktion und formuliere Hypothese, Variablen und Sicherheitsregeln.

Lernkontrolle

1. Energiefluss: Erkläre an einem selbst gewählten Beispiel, wie Du System und Umgebung festlegst und in welche Richtung Energie übertragen wird.
2. Diagrammanalyse: Vergleiche zwei Energiediagramme und entscheide, welches eine exotherme Reaktion zeigt. Begründe mit Energieniveaus und Vorzeichen.
3. Reaktionsgeschwindigkeit: Erkläre, warum eine exotherme Reaktion langsam verlaufen kann und wie Temperatur oder Katalysator ihre Geschwindigkeit beeinflussen.
4. Fehleranalyse: Eine Lerngruppe misst im Kalorimeter eine zu kleine Wärmeabgabe. Entwickle mindestens drei plausible Ursachen und Verbesserungen.
5. Brandschutztransfer: Wähle einen Brandfall und leite aus dem Verbrennungsdreieck eine geeignete Löschidee ab. Begründe auch, warum ein ungeeignetes Löschmittel gefährlich sein kann.
6. Bewertung: Beurteile eine selbstheizende Mahlzeit als technische Anwendung. Berücksichtige Nutzen, Sicherheit, Abfall und Energieeffizienz.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe kennst, sondern Energieflüsse erklären und auf neue Situationen übertragen kannst.

1. Du definierst eine exotherme Reaktion über die Energieabgabe an die Umgebung.
2. Du deutest $\Delta H<0$ und liest ein Energiediagramm korrekt.
3. Du unterscheidest Reaktionsenthalpie und Aktivierungsenergie.
4. Du erklärst die Wirkung eines Katalysators ohne eine Änderung der Reaktionsenthalpie zu behaupten.
5. Du wertest eine einfache Temperaturmessung oder Kalorimetrie nachvollziehbar aus.
6. Du unterscheidest chemische Reaktionen von exothermen physikalischen Vorgängen.
7. Du beachtest Sicherheitsregeln und kannst technische sowie ökologische Folgen bewerten.

Verknüpfte Lernbereiche

Exotherme Reaktionen - Chemie Chemische Reaktion Thermochemie Reaktionsenthalpie Aktivierungsenergie Katalysator Energiediagramm Kalorimetrie Verbrennung Neutralisation Brandschutz