Simulation: Energiebilanz bei chemischen Reaktionen (Dalton-Modell)

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Energiebilanz einer chemischen Reaktion

Bei jeder chemischen Reaktion werden zuerst Bindungen gespalten und danach neue Bindungen gebildet. Aus dem Vergleich beider Vorgänge ergibt sich, ob die Reaktion insgesamt Energie abgibt oder aufnimmt.

1. Bindungsspaltung kostet Energie

Damit aus den Edukten neue Stoffe entstehen können, müssen die bestehenden Bindungen aufgebrochen werden. Bindungen halten Atome zusammen; sie zu trennen, kostet immer Energie. In dieser Simulation wächst dabei der orangefarbene Balken.

2. Bindungsbildung setzt Energie frei

Die frei gewordenen Atome ordnen sich neu an. Sobald sich zwei Atome zu einer neuen Bindung verbinden, wird Energie frei – der grüne Balken wächst. Neue Atome entstehen dabei nicht: Dieselben Atome werden nur anders zusammengesetzt.

Diese Erhaltung der Atome ist der Grund für den Massenerhalt bei chemischen Reaktionen: Was an Atomen hineingeht, kommt auch wieder heraus – nur in anderer Anordnung.

3. Die Energiebilanz

Der Vergleich beider Beträge ergibt die Reaktionsenergie ΔE_i: Sie gibt an, wie viel Energie am Ende übrig bleibt oder fehlt.

Vergleich der Balken	Bedeutung	Reaktionstyp
grün höher als orange	mehr freigesetzt als aufgewendet	exotherm (ΔEi < 0)
orange höher als grün	mehr aufgewendet als freigesetzt	endotherm (ΔEi > 0)
beide gleich hoch	Aufwand und Freisetzung gleich	thermoneutral (ΔEi = 0)

Der Pfeil im Diagramm zeigt diese Differenz: nach unten bei exothermen, nach oben bei endothermen Reaktionen.

4. Exotherme Reaktionen

Wird mehr Energie frei, als zum Spalten nötig war, gibt die Reaktion den Überschuss an die Umgebung ab – meist als Wärme, oft auch als Licht. Die Umgebung wird wärmer. Beispiele sind jede Verbrennung, das Rosten von Eisen und die Vorgänge in einer Batterie.

5. Endotherme Reaktionen

Reicht die bei der Bindungsbildung frei werdende Energie nicht aus, muss die fehlende Energie von außen zugeführt werden – durch Erwärmen, durch Licht oder durch elektrischen Strom. Die Umgebung kühlt dabei ab. Beispiele sind die Elektrolyse von Wasser und die Photosynthese, bei der Pflanzen Lichtenergie aufnehmen.

Endotherme Reaktionen laufen nicht von selbst ab. Deshalb zerfällt Wasser bei Raumtemperatur nicht in Wasserstoff und Sauerstoff – erst die Elektrolyse liefert die nötige Energie.

6. Die fünf Reaktionen dieser Simulation

Reaktion	Typ
H2 + Cl2 → 2 HCl	exotherm
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O	exotherm
N2 + 3 H2 → 2 NH3	exotherm
N2 + O2 → 2 NO	endotherm
2 H2O → 2 H2 + O2	endotherm

Das Kugelmodell und seine Grenzen

Die Atome erscheinen hier als farbige Kugeln. Das ist ein Modell: Atome sehen nicht wirklich so aus, und die Farben sind reine Vereinbarung. Das Modell zeigt, wie sich Atome bei einer Reaktion umordnen. Es sagt aber nichts darüber aus, warum Bindungen unterschiedlich stark sind – dafür ist ein Modell nötig, das die Elektronen einbezieht.

Diese Simulation vergleicht die Energien deshalb nur qualitativ über die Höhe zweier Balken. Konkrete Zahlenwerte liefert die Simulation zur Energiebilanz aus Bindungsenergien.