Energie bei chemischen Reaktionen

Bei der Verbrennung eines Mols Methan, 16 g, werden 890.8 kJ Wärme frei. Das reicht, um etwa 2.7 Liter Wasser von 20 °C auf 100 °C zu erhitzen.

Manche Reaktionen werden heiß, etwa eine Gasflamme. Andere nehmen Wärme aus ihrer Umgebung auf. Der Unterschied hängt mit den Bindungen zusammen. Eine chemische Bindung zu spalten, erfordert immer Energie; eine Bindung zu bilden, setzt immer Energie frei. Um Wasserstoffmoleküle zu spalten, braucht man beispielsweise 436 kJ pro Mol. Ob eine Reaktion insgesamt Wärme abgibt oder aufnimmt, hängt davon ab, was überwiegt: der Energieaufwand zum Spalten der alten Bindungen oder die bei der Bildung neuer Bindungen frei werdende Energie.

Exotherm und endotherm

Die bei konstantem Druck ausgetauschte Reaktionswärme wird als Enthalpieänderung ΔH angegeben. Haben die Produkte eine niedrigere Enthalpie als die Edukte, wird die Differenz als Wärme frei. ΔH ist negativ und die Reaktion exotherm. Liegen die Produkte höher, muss Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden. ΔH ist positiv und die Reaktion endotherm. Kehrt man eine Reaktion um, wechselt das Vorzeichen von ΔH: Die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff setzt je zwei Mol Wasser 571.6 kJ frei. Um zwei Mol flüssiges Wasser wieder in die Elemente zu zerlegen, benötigt man deshalb 571.6 kJ.

Brennstoffe haben betragsmäßig große, negative Verbrennungsenthalpien. Gemessen wurden pro Mol unter anderem −890.8 kJ für Methan, −285.8 kJ für Wasserstoff, −1366.8 kJ für Ethanol und −726.1 kJ für Methanol. Pro Gramm ergibt sich ein anderes Bild. Methan liefert etwa 55.5 kJ pro Gramm, Ethanol etwa 29.7 kJ und der sehr leichte Wasserstoff etwa 141.8 kJ. OpenStax schätzt die bei der Verbrennung eines Liters Isooctan frei werdende Energie auf 33 100 kJ. Isooctan ist ein häufiger Benzinbestandteil. Nicht jede nützliche Reaktion ist exotherm. Hoch in der Atmosphäre bildet sich Ozon durch einen endothermen, von UV-Licht angetriebenen Vorgang aus Sauerstoff. Stickstoff und Sauerstoff nehmen bei der Bildung von zwei Mol Stickstoffmonoxid 180.5 kJ auf. Deshalb findet diese Reaktion hauptsächlich in den sehr heißen Zylindern von Motoren statt.

Warum Brennstoffe einen Funken brauchen

Wenn Methan beim Verbrennen so viel Energie freisetzt, warum entzündet sich das Gas in der Küchenleitung dann nicht von selbst? Weil zunächst Bindungen gespalten werden müssen, bevor neue entstehen können. Moleküle müssen mit einer bestimmten Mindestenergie zusammenstoßen, der Aktivierungsenergie Eₐ. Nur so erreichen sie die instabile Anordnung am Gipfel des Energiebergs, den Übergangszustand. Bei Raumtemperatur sind nur sehr wenige Zusammenstöße energiereich genug. Ein Funke oder ein Streichholz liefert die Energie für die ersten Reaktionen. Die dabei frei werdende Wärme hält dann die weiteren Reaktionen in Gang.

Verschiebe im Labor den Punkt entlang der Kurve. Auf dem Weg nach oben werden Bindungen gedehnt und die Energie steigt. Am Gipfel sind die alten Bindungen halb gelöst und die neuen halb gebildet. Auf dem Weg nach unten entstehen die neuen Bindungen vollständig und Energie wird frei. Die Höhe des Energiebergs bestimmt, wie schnell die Reaktion abläuft. Darum geht es in der nächsten Einheit. Der Unterschied zwischen den beiden Endpunkten bestimmt dagegen die frei werdende Wärmemenge. Ein Katalysator, den du per Schaltfläche einschalten kannst, ermöglicht einen leichteren Reaktionsweg mit einem niedrigeren Energieberg. Die beiden Endpunkte bleiben gleich, deshalb ändert sich ΔH nicht.