Simulation: Energiebilanz bei chemischen Reaktionen

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Energiebilanz bei chemischen Reaktionen

Bindungen spalten und Bindungen bilden

Bei einer chemischen Reaktion werden Bindungen zwischen Atomen gespalten und neue Bindungen gebildet. Die Atome selbst bleiben erhalten, sie werden nur anders verknüpft. Das sieht man gut im Dalton-Modell: Die Kugeln der Edukt-Moleküle trennen sich und finden sich zu den Produkt-Molekülen neu zusammen. Keine Kugel kommt hinzu, keine geht verloren.

Spalten kostet Energie, Bilden setzt Energie frei

Bindungen halten Atome zusammen. Um eine Bindung zu spalten, muss deshalb immer Energie aufgewendet werden. Bildet sich eine Bindung, wird Energie frei. Bildet sich dieselbe Bindung wieder, die vorher gespalten wurde, wird genau derselbe Betrag frei, der zum Spalten nötig war.

Exotherm und endotherm

Für die Energiebilanz einer Reaktion vergleicht man zwei Beträge: wie viel Energie das Spalten der Bindungen der Edukte kostet und wie viel Energie das Bilden der Bindungen der Produkte freisetzt.

• Wird beim Bilden mehr Energie frei, als das Spalten gekostet hat, gibt die Reaktion den Rest an die Umgebung ab, meist als Wärme. Die Reaktion ist exotherm.
• Wird beim Bilden weniger Energie frei, als das Spalten gekostet hat, muss man der Reaktion Energie zuführen, zum Beispiel als Wärme, Licht oder elektrische Energie. Die Reaktion ist endotherm.

Hin- und Rückreaktion setzen gleich viel Energie um, nur in umgekehrter Richtung. Die Bildung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff ist exotherm, die Zerlegung von Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff endotherm.

Das Energiediagramm

Das Energiediagramm zeigt die Energiebilanz wie eine Treppe mit drei Energiestufen. Von den Edukten geht es nach oben zu den getrennten Atomen, denn das Spalten kostet Energie. Von dort geht es nach unten zu den Produkten, denn das Bilden setzt Energie frei. Liegen die Produkte am Ende tiefer als die Edukte, wurde Energie abgegeben: Die Reaktion ist exotherm. Liegen sie höher, wurde Energie aufgenommen: Die Reaktion ist endotherm. Die senkrechte Achse zeigt die innere Energie E_i.

Ein gedachter Weg

Für die Energiebilanz stellt man sich vor, dass zuerst alle Bindungen der Edukt-Teilchen gespalten werden und die Atome getrennt vorliegen. Danach werden aus denselben Atomen alle Bindungen der Produkt-Teilchen gebildet.

So läuft eine Reaktion in Wirklichkeit nicht ab: Die Atome liegen dabei nie alle getrennt vor, Bindungen werden weitgehend gleichzeitig gespalten und gebildet. Der gedachte Weg führt trotzdem zum richtigen Ergebnis, denn die umgesetzte Energie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab, nicht vom Weg dazwischen.

Die Bindungsenergie E_B

Nicht jede Bindung ist gleich stark. Die Bindungsenergie gibt an, wie viel Energie man braucht, um 1 mol einer bestimmten Bindung im gasförmigen Zustand zu spalten. Sie wird in Kilojoule pro Mol (kJ/mol) angegeben.

Die Reaktionsenergie ΔE_i berechnen

ΔE_i = ΣE_B(Edukte) − ΣE_B(Produkte)

Jede Bindung zählt so oft, wie sie in den Teilchen der Reaktionsgleichung vorkommt. Die Angabe in kJ/mol bezieht sich auf einen Formelumsatz: Die Stoffmengen sind so groß, wie es die Koeffizienten der Reaktionsgleichung in mol angeben.

Beispiel H₂ + Cl₂ → 2 HCl: Gespalten werden eine H–H-Bindung und eine Cl–Cl-Bindung, also 436 kJ/mol + 243 kJ/mol = 679 kJ/mol. Gebildet werden zwei H–Cl-Bindungen, also 2 · 432 kJ/mol = 864 kJ/mol. Damit ist ΔE_i = 679 kJ/mol − 864 kJ/mol = −185 kJ/mol: Reagieren 1 mol Wasserstoff und 1 mol Chlor zu 2 mol Hydrogenchlorid, werden 185 kJ frei.

Im Energiediagramm ist der Abstand zwischen den Edukten und den getrennten Atomen die Summe der Bindungsenergien der Edukte, der Abstand zwischen den getrennten Atomen und den Produkten die Summe der Bindungsenergien der Produkte. Der Abstand zwischen Edukten und Produkten ist der Betrag von ΔE_i. Bei Hin- und Rückreaktion hat ΔE_i denselben Betrag und das umgekehrte Vorzeichen.

Die fünf Reaktionen

Alle Werte in kJ/mol.

Elektronenpaarbindungen spalten und bilden

Warum Bindungen verschieden stark sind, erklärt das Dalton-Modell nicht. Dazu betrachtet man die Valenzelektronen. In einer Elektronenpaarbindung teilen sich zwei Atome ein bindendes Elektronenpaar.

• Wird eine Elektronenpaarbindung gespalten, erhält jedes der beiden Atome ein Elektron des Paares. Beide Atome haben danach je ein ungepaartes Elektron.
• Bei der Bildung einer Bindung werden zwei ungepaarte Elektronen zweier Atome zu einem bindenden Elektronenpaar.
• Eine Doppelbindung besteht aus zwei, eine Dreifachbindung aus drei bindenden Elektronenpaaren. Beim Spalten erhält jedes Atom zwei bzw. drei ungepaarte Elektronen.

Zwischen denselben Atomen ist eine Doppelbindung stärker als eine Einfachbindung und eine Dreifachbindung stärker als eine Doppelbindung. Die Dreifachbindung im Stickstoff-Molekül gehört zu den stärksten Elektronenpaarbindungen überhaupt. Deshalb ist die Bildung von Ammoniak nur schwach exotherm, obwohl sechs N–H-Bindungen entstehen.

In der 2D-Ansicht ist die Elektronenpaarbindung als Valenzstrichformel dargestellt: Ein Strich steht für ein bindendes oder freies Elektronenpaar, ein Punkt für ein ungepaartes Elektron. Die 3D-Ansicht zeigt ein Kugel-Stab-Modell mit der räumlichen Gestalt der Moleküle; darin steht ein Stab für ein bindendes Elektronenpaar, die freien Elektronenpaare sind nicht dargestellt.

Aktivierungsenergie

Viele exotherme Reaktionen laufen erst an, wenn man ihnen zu Beginn etwas Energie zuführt; ein Gemisch aus Methan und Luft braucht zum Beispiel einen Zündfunken. Diese Aktivierungsenergie ist viel kleiner als die Summe der Bindungsenergien der Edukte, weil in Wirklichkeit nicht alle Bindungen gespalten werden, bevor neue entstehen. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie, ändert aber nichts an ΔE_i.

Grenzen des Modells

• Bindungsenergien sind Mittelwerte. Eine C–H-Bindung ist nicht in jedem Molekül gleich stark. Deshalb weichen die berechneten Reaktionsenergien etwas von gemessenen Werten ab; für die Verbrennung von Methan ergibt die Rechnung −812 kJ/mol, gemessen werden etwa −802 kJ/mol.
• Alle Stoffe werden als Gase gerechnet, auch das Wasser bei der Verbrennung von Methan.
• Die Reaktion verläuft in Wirklichkeit nicht über lauter getrennte Atome.
• Die Teilchenebene zeigt nur so viele Teilchen, wie in der Reaktionsgleichung stehen. Die Energieangaben gelten für Stoffmengen in mol, also für sehr viele Teilchen.
• Das Sauerstoff-Molekül wird mit der üblichen Valenzstrichformel O=O gezeigt. Genauere Modelle beschreiben es mit zwei ungepaarten Elektronen.
• Im Dalton-Modell sind die Kugelgrößen nach den Atomradien abgestuft, die Unterschiede aber vereinfacht.