Simulation: Energiebilanz bei chemischen Reaktionen
Aus Bindungsenergien berechnen, ob eine Reaktion Energie abgibt oder aufnimmt.
Wie entsteht die Energiebilanz einer Reaktion aus Bindungsspaltung und Bindungsbildung?
Reaktion wählen:
Reaktionsgleichung:
Schritt 1 – Bindungsspaltung der Edukte
Schritt 2 – Bindungsbildung der Produkte
Schritt 3 – Energiebilanz
Σ EB Bindungsspaltung (Edukte)
– kJ/mol
Σ EB Bindungsbildung (Produkte)
– kJ/mol
ΔEi der Reaktion
Aufgaben
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Energiebilanz aus Bindungsenergien
Bei jeder chemischen Reaktion werden zuerst Elektronenpaarbindungen gespalten und dann neue gebildet. Aus der Bilanz beider Vorgänge lässt sich berechnen, ob eine Reaktion Energie abgibt oder aufnimmt.
1. Die Bindungsenergie EB
Die Bindungsenergie gibt an, wie viel Energie nötig ist, um eine bestimmte Bindung zu trennen – angegeben in Kilojoule pro Mol (kJ/mol). Derselbe Betrag wird wieder frei, wenn sich diese Bindung bildet. Je stärker eine Bindung, desto größer ihr EB.
Bindung
EB
Bindung
EB
H–H
436
O–H
463
Cl–Cl
243
C–H
413
H–Cl
432
N–H
391
O=O
498
N=O
631
C=O
804
N≡N
945
Mehrfachbindungen sind stärker als Einfachbindungen. Die Dreifachbindung im N2-Molekül (945 kJ/mol) gehört zu den stärksten Elektronenpaarbindungen überhaupt – deshalb ist Stickstoff so reaktionsträge.
2. Spaltung und Bildung
Zum Spalten einer Bindung muss Energie aufgewendet werden. Bei der Bildung wird genau derselbe Betrag wieder frei. Ob eine Reaktion insgesamt Energie liefert, entscheidet der Vergleich der Summen: Es zählt nicht die Stärke einer einzelnen Bindung, sondern wie viele Bindungen welcher Stärke auf jeder Seite stehen.
3. Die Reaktionsenergie ΔEi berechnen
Man addiert alle Bindungsenergien der Edukte und zieht davon die Summe der Produkt-Bindungsenergien ab:
ΔEi = Σ EB(Edukte) − Σ EB(Produkte)
Jede Bindung zählt dabei mit ihrer Anzahl.
Beispiel H2 + Cl2 → 2 HCl: Gespalten werden eine H–H- und eine Cl–Cl-Bindung, also 436 + 243 = 679 kJ/mol. Gebildet werden zwei H–Cl-Bindungen, also 2 · 432 = 864 kJ/mol. Damit ist ΔEi = 679 − 864 = −185 kJ/mol.
4. Vorzeichen und Reaktionstyp
ΔEi
Bedeutung
Reaktionstyp
< 0
Bildung setzt mehr frei, als Spaltung kostet
exotherm
> 0
Bildung setzt weniger frei, als Spaltung kostet
endotherm
= 0
beide Beträge gleich groß
thermoneutral
5. Die fünf Reaktionen dieser Simulation
Reaktion
ΣEB Edukte
ΣEB Produkte
ΔEi
H2 + Cl2 → 2 HCl
679
864
−185
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
2648
3460
−812
N2 + 3 H2 → 2 NH3
2253
2346
−93
N2 + O2 → 2 NO
1443
1262
+181
2 H2O → 2 H2 + O2
1852
1370
+482
Alle Angaben in kJ/mol.
6. Das Energiediagramm
In Schritt 3 stehen Edukte und Produkte auf zwei Niveaus. Die senkrechte Achse zeigt die innere Energie Ei. Liegt das Produkt-Niveau tiefer, ist die Reaktion exotherm; liegt es höher, endotherm. Der Abstand der beiden Niveaus entspricht dem Betrag von ΔEi.
7. Aktivierungsenergie und Katalysator
Auch eine exotherme Reaktion startet nicht von allein: Zuerst müssen Bindungen gespalten werden, und dafür ist eine anfängliche Energiezufuhr nötig – die Aktivierungsenergie. Ein Benzin-Luft-Gemisch braucht deshalb einen Zündfunken, obwohl die Verbrennung anschließend viel Energie liefert.
Ein Katalysator senkt nur die Aktivierungsenergie und beschleunigt so die Reaktion. An ΔEi ändert er nichts – Anfangs- und Endzustand bleiben dieselben.
Grenzen der Rechnung
Bindungsenergien sind Mittelwerte und gelten für gasförmige Stoffe: Eine C–H-Bindung ist im Methan-Molekül nicht exakt gleich stark wie in anderen Verbindungen, und das bei der Verbrennung entstehende Wasser wird hier als Gas gerechnet. Die berechneten Werte weichen deshalb leicht von gemessenen Reaktionsenergien ab – für die Bildung von NO ergibt die Rechnung +181 kJ/mol, Tafelwerke nennen +180 kJ/mol. Für die Entscheidung exotherm oder endotherm genügt diese Genauigkeit.