Exotherme und endotherme Reaktionen mit Energiediagramm

Einstieg: Wärme aus der Tüte, Kälte aus dem Beutel

Ein Taschenwärmer aus dem Drogeriemarkt wird warm, sobald du ihn aus der Verpackung nimmst und knetest. Ein Kühlpack aus dem Erste-Hilfe-Kasten wird kalt, wenn du ihn knickst. In beiden Fällen läuft eine Reaktion oder ein Lösevorgang ab. Einmal wird Wärme frei, einmal wird sie aufgenommen. Woher kommt die Wärme, und wohin verschwindet sie?

Erklärung: Stoffe haben einen Energiegehalt

Jeder Stoff enthält Energie, die in ihm gespeichert ist. Man nennt sie Energiegehalt oder innere Energie. Verschiedene Stoffe unterscheiden sich in ihrem Energiegehalt. Holz und Sauerstoff zusammen enthalten zum Beispiel mehr Energie als die Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Für eine Reaktion betrachtet man das System, also die reagierenden Stoffe im Reagenzglas, und die Umgebung, also alles drumherum: Glas, Luft, deine Hand. Bei einer Reaktion tauscht das System Energie mit der Umgebung aus, meist als Wärme.

• Exotherme Reaktion: Das System gibt Energie an die Umgebung ab. Die Produkte haben einen geringeren Energiegehalt als die Ausgangsstoffe. Die Umgebung wird warm. Beispiele: Verbrennung, Rosten, Taschenwärmer mit Eisenpulver.
• Endotherme Reaktion: Das System nimmt Energie aus der Umgebung auf. Die Produkte haben einen höheren Energiegehalt. Die Umgebung kühlt ab, oder man muss dauernd Wärme zuführen. Beispiele: Zitronensäure mit Natron in Wasser, Zersetzung von Kupfercarbonat beim Erhitzen, Fotosynthese mit Lichtenergie.

Die Energie geht dabei nicht verloren und entsteht nicht neu. Sie wird zwischen System und Umgebung übertragen und in andere Formen umgewandelt, zum Beispiel chemische Energie in Wärme und Licht.

Das Energiediagramm

Den Energiegehalt von Ausgangsstoffen und Produkten stellt man in einem Energiediagramm dar. Nach oben ist die Energie aufgetragen, nach rechts der Reaktionsverlauf.

Versuche

Versuch A (exotherm): Eisenpulver und Luft. Gib zwei gestrichene Spatel Eisenpulver, einen Spatel Aktivkohle, einen halben Spatel Kochsalz und fünf Tropfen Wasser in einen kleinen Gefrierbeutel. Drück die Luft nicht ganz heraus, verschließe ihn und knete. Miss die Temperatur alle 30 Sekunden mit einem Thermometer, das du von außen an den Beutel hältst. Die Temperatur steigt deutlich. Eisen reagiert mit dem Sauerstoff der Luft: Das ist ein langsames Rosten, das durch Salz, Wasser und Kohle beschleunigt wird.

Versuch B (endotherm): Zitronensäure und Natron. Gib 20 ml Wasser in ein Becherglas und miss die Temperatur. Gib zwei Spatel Zitronensäure und zwei Spatel Natron (Natriumhydrogencarbonat) dazu und rühre mit dem Thermometer. Es schäumt, und die Temperatur sinkt um mehrere Grad.

Sicherheit: Schutzbrille. Zitronensäure ist mit dem Gefahrenpiktogramm GHS07 (Ausrufezeichen) gekennzeichnet und verursacht schwere Augenreizung (H319). Natron ist nicht als Gefahrstoff eingestuft. Eisenpulver nicht in die Flamme bringen, Reste nach Anweisung entsorgen.

Beispiele

Beispiel 1: Messwerte deuten

Im Versuch B steigt die Temperatur nicht, sondern fällt von 21 °C auf 14 °C. Das System aus Zitronensäure und Natron hat Wärme aus der Umgebung aufgenommen, also aus dem Wasser, dem Glas und der Luft. Die Reaktion ist endotherm. Die Produkte haben einen höheren Energiegehalt als die Ausgangsstoffe.

Beispiel 2: Ein Energiediagramm beschreiben

Bei der Verbrennung von Holzkohle liegen die Ausgangsstoffe Kohlenstoff und Sauerstoff im Diagramm oben, das Produkt Kohlenstoffdioxid unten. Der Pfeil zeigt nach unten: Diese Energie wird als Wärme und Licht an die Umgebung abgegeben. Am Anfang muss trotzdem erst ein „Berg“ überwunden werden: Kohle brennt nicht von selbst, man muss sie anzünden.

Merksatz

Stoffe unterscheiden sich in ihrem Energiegehalt. Bei einer exothermen Reaktion gibt das System Energie an die Umgebung ab, die Produkte sind energieärmer. Bei einer endothermen Reaktion nimmt das System Energie aus der Umgebung auf, die Produkte sind energiereicher. Energie wird dabei übertragen und umgewandelt, aber nicht erzeugt oder vernichtet.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre die Begriffe System und Umgebung am Beispiel eines Taschenwärmers.
2. Ordne zu, ob exotherm oder endotherm: Verbrennung von Erdgas, Fotosynthese, Rosten, Versuch B.
3. Zeichne das Energiediagramm einer exothermen Reaktion und beschrifte Ausgangsstoffe, Produkte und abgegebene Energie.

Weiter

4. Ein Schüler sagt: „Bei Versuch B entsteht Kälte.“ Verbessere die Aussage fachlich.
5. Erkläre, warum ein Taschenwärmer nach einigen Stunden nicht mehr warm wird.
6. Beim Erhitzen von grünem Kupfercarbonat entsteht schwarzes Kupferoxid. Sobald der Brenner entfernt wird, hört die Reaktion auf. Ist die Reaktion exotherm oder endotherm? Begründe.

Knobeln

7. Bei Versuch B könnte die Abkühlung auch vom Lösen der Stoffe kommen und nicht von der Reaktion. Plane Kontrollversuche, mit denen du das prüfst.
8. Pflanzen nutzen bei der Fotosynthese Lichtenergie, Tiere gewinnen bei der Zellatmung Energie aus Traubenzucker. Erkläre mit dem Begriff Energiegehalt, wie die beiden Vorgänge energetisch zusammenhängen.

Lösungen

1. System: die Stoffe im Beutel, also Eisenpulver, Salz, Kohle, Wasser und Sauerstoff. Umgebung: die Folie, deine Hand, die Luft. Das System gibt Wärme an die Umgebung ab.
2. Verbrennung von Erdgas: exotherm. Fotosynthese: endotherm. Rosten: exotherm. Versuch B: endotherm.
3. Ausgangsstoffe oben, Produkte unten, dazwischen ein Pfeil nach unten mit der Beschriftung „abgegebene Energie“. Achsen: Energie nach oben, Reaktionsverlauf nach rechts.
4. „Bei Versuch B nimmt das System Wärme aus der Umgebung auf. Deshalb sinkt die Temperatur von Wasser und Glas.“ Kälte ist keine Energieform, sie beschreibt nur das Fehlen von Wärme.
5. Das Eisenpulver ist nach und nach vollständig zu Eisenoxid reagiert. Ohne Ausgangsstoff kann keine Energie mehr freigesetzt werden.
6. Endotherm. Die Reaktion läuft nur, solange von außen Wärme zugeführt wird.
7. Je eine Probe nur Zitronensäure in Wasser und nur Natron in Wasser lösen und die Temperatur messen. Sinkt die Temperatur dort kaum, im Gemisch aber stark, kommt die Abkühlung vor allem von der Reaktion. Gleiche Mengen und gleiche Wassertemperatur verwenden.
8. Bei der Fotosynthese entsteht aus energiearmen Stoffen (Kohlenstoffdioxid und Wasser) der energiereiche Traubenzucker. Die Energie stammt aus dem Licht, die Reaktion ist endotherm. Bei der Zellatmung reagiert Traubenzucker mit Sauerstoff wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dabei wird die gespeicherte Energie frei, die Reaktion ist exotherm.