Energieumsatz bei chemischen Reaktionen
Heizen und Antreiben? ... was hat das mit Chemie zu tun? Drei wichtige Aspekte, die wir bisher schon bei den anderen Themen angesprochen haben, bringen hier Chemie ins Spiel:
- Welche Stoffe eigenen sich zum Heizen und Antreiben? Was sind ihre typischen Eigenschaften, die bei der Verwendung eine Rolle spielen?
- Welche chemischen Reaktionen laufen bei der Benutzung ab?
- Können wir die Eigenschaften und die Reaktionen auf atomarer Ebene erklären?
Ein wichtiger Aspekt bei chemischen Reaktionen, der hier eine Rolle spielt, den wir bisher noch nicht so intensiv betrachtet haben, ist das Thema "Energie", vor allem Wärmeenergie. Oft müssen wir etwas erhitzen um eine Reaktion zu starten. Viele Reaktionen, laufen sie erst einmal ab, produzieren auch viel Wärme und man sieht eine helle Lichterscheinung.
Hier wird viel Energie abgegeben. Dafür macht man ja ein Lagerfeuer an!
Ohne Wärme-Energie würde aus dem Teig kein Crepe werden!. Auch das ist eine chemische Reaktion!
Der Chemiker sieht hier die chemische Reaktionen und die beteiligten Elemente!
Das knifflige an dem Thema ist, dass Energie nicht so gut greifbar ist. Man kann sie eigentlich nicht so wirklich sehen, nur wenn sich etwas ändert - wenn Energie frei wird oder zugeführt wird - merkt man etwas davon. Damit auch du mit dem neuen Begriff Energie gut zurecht kommst, werden wir alles von verschiedenen Seiten beleuchten. Das wird dir auch einiges an Energie ab verlangen und du musst einiges an Energie für das Lernen der Begriffe aufbringen, aber es ist ein sehr wichtiger Aspekt in der Chemie. Und wir kommen dabei auf den chemischen Reaktionen auf die Schliche, was Stoffe dazu antreibt mit anderen zu reagieren.
Energieumsätzen mit vielen Ausdrücken beschreiben
Bei den oben in den Bildern gezeigten Reaktionen ist es relativ klar, wo man Energie zuführt und wo Energie frei wird. Bei Vorgängen, die du nur als Text beschreiben bekommst, ist das nicht immer so klar, denn es kann leicht umschrieben werden. Übe das genaue Lesen mit der "Energie-Brille" nun mit den folgenden Materialien.
Was bedeutet es, das bei einer Reaktion Energie abgegeben wird? Umgangssprachlich gibt es dafür viele Ausdrücke und Formulierungen. Dass sollst du anhand von einigen Vorgängen aus dem Alltag genauer betrachten.
→ Texte zur Energie bei chemischen Reaktionen erfassenEnergie aus physikalischer Sicht
Sicher bekommt ihr auch mit, dass andauernd der Begriff Energie in den Nachrichten vorkommt: Energie sparen, Alternative Energie, fossile Energie, Sonnenenergie, ... und so weiter. Für die Physiker ist der Begriff "Energie" von wichtiger Bedeutung, denn Energie ist eine der grundlegenden physikalischen Größen. Auch wenn das Thema im Physik-Unterricht getrennt behandelt wird, so ist es sinnvoll ein paar Dinge dazu hier noch einmal anzusprechen und das am besten gleich zu üben.
- ÜBRIGENS: Physik ist für den Chemie-Studenten auch ein Pflichtfach. Man muss meist eine Vorlesung mit Eperimenten und Übungen besuchen!. Da sind gute Mathematik-Kenntnisse auch ganz hilfreich!
Bei Energie denkt man sicher zuerst an Strom. Denn das ist die Energieart, die inzwischen unser Leben am meisten bestimmt und wenn sie fehlt, führt das zum Chaos. Es gibt zahlreiche Arten Energie bzw. Strom zu gewinnen.
Ganz einfach ist die Ausnutzung natürlichen Energie-Quellen, wie Wind und Sonne. Die Windenergie wird schon seit Urzeiten genutzt, lange ohne das man Strom produziert hat. In Rheinland-Pfalz wurden 2015 etwa 25% des Stroms mit Windenergie erzeugt (Info-Seite mit Daten dazu). Nur Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern haben in Deutschland ein größeren Anteil. Bei dieser Stromgewinnung wird die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umgewandelt.
Das erste Atomkraftwerk wurde erst 1942 in Chicago in Betrieb genommen, gebaut unter der Leitung des italienischen Physikers Enrico Fermi
. Da haben wir eine Art Physikalische Energie, die frei wird, wenn Elemente ineinander umgewandelt werden. Dabei werden große Mengen an Energie frei, aber diese können auch zu Katastrophen führen, wie es sich zuletzt in Fukushima (Japan) gezeigt hat. Trotz einer Umwandlung von Stoffes haben wir hier keine chemische Reaktion. Da Kernkraft etwas schwieriger zu verstehen ist, wirst du dich noch nicht damit beschäftigen.
Zuerst einmal soll es um verschiedene grundlegende Arten von Energie gehen. Die Produktion von Energie in chemischen Reaktionen, wird später genauer betrachtet.
Diese Aktivität besteht aus einem Text mit Theorie und zahlreichen Quizzen, in denen du testen kannst, ob du alles verstanden hast.
→ Energie aus physikalischer SichtWie Chemiker die Energie bei chemischen Reaktionen betrachten
Du hast ja sicher schon Chemische Reaktionen selber durchführt und eigentlich sind sie ja sowieso alltäglich und finden andauernd um uns herum statt. Um das Thema "Energie bei chemischen Reaktionen etwas genauer zu betrachten, soll es nun ans Experimentieren gehen.
Dazu gibt es nun einige Experimente, bei denen man das Thema besonders gut entdecken kann.
Die auf der Unterseite beschriebenen Experimente werden in einem Lernzirkel durchgeführt. Die Reihenfolge ist beliebig. Neben Experimenten, die du selber durchführst, werden auch Filme für Experimente gezeigt, die zu gefährlich sind.
→ Experimente zu Energie bei chemischen ReaktionenNach den Experimenten müssen wir uns der Theorie zuwenden, damit du verstehen kannst, was da beid en Experimenten vor sich gegangen ist.
Solche Begriffe wie Energieverbrauch, Energieverschwendung oder Energiegewinnung sind zwar alltäglich, aber von den Physikern haben wir gelernt, dass Energie immer nur umgewandelt wird und nie verloren geht bzw. nicht aus dem Nichts entstehen kann. Dieser Energieerhaltungs-Satz muss natürlich auch bei chemischen Reaktionen gelten, wenn scheinbar Energie erzeugt wird. Man sagt deshalb, dass Stoffe eine besondere Art an Energie haben, die man als chemische Energie bezeichnet. Wenn bei einer chemischen Reaktion Energie frei wird, dann wird chemische Energie in eine andere Energieform, wie zum Beispiel in Wärme- und Lichtenergie, umgewandelt.
Das hatte wir im Prinzip bei den ersten Texten zu chemischen Reaktionen, wo Energie wichtig war. Holz ist ein Stoff, der sehr viel chemische Energie enthält. Lässt man es mit Sauerstoff aus der Luft reagieren - sprich: man zündet es an - dann wird beim Verbrennen die innere, chemische Energie als Wärmeenergie freigesetzt.
Auf der Unterseite zu dieser Aktivität wirst du hoffentlich genau verstehen, wie chemische Energie gespeichert ist und wie man daraus Energie gewinnen kann.
→ Theorie zu Energie bei chemischen ReaktionenHeiz-Energie für das eigene Haus
Im Alltag nutzen wir verschiedene energiereiche Stoffe, um zum Heizen oder Kochen Wärme zu erzeugen.
Zum einen sind das fossile Brennstoffe, wie Erdöl oder Erdgas, bei denen die Ressourcen aber in absehbarer Zeit verbraucht sein werden. Erdgas ist gerade bei Profi-Köchen zum Kochen sehr beliebt, da man schnell hohe Temperaturen erhält, was bei einem elektisch betriebenen Herd nicht möglich ist.
In den letzten Jahren hat Holz als Heizmaterial wieder an Bedeutung gewonnen. Während in den alten Holzöfen von Hand die Holzscheite in die Brennkammer gelegt werden mussten, erlauben moderne Pelletöfen einen automatischen Betrieb, bei dem die Pellets mit Förderschnecken aus einem Tank automatisch nach Bedarf in die Brennkammer transportiert werden und dort auch automatisch angezündet werden können.
Vergleicht man die enthaltene Energie von Holz und Erdöl, so liefern 200 Gramm Holzpellets die gleiche Energiemenge wie etwa 0,1 Liter Heizöl, nämlich etwa 1 kwh . Damit können 10 Liter Wasser zum Kochen gebracht werden, 4 Minuten geduscht oder ein modernes Haus mit 100 Quadratmetern im Winter eine halbe Stunde lang beheizt werden.
Chemische Energie in Lebensmitteln
Nicht immer ist das Freiwerden von Chemischer Energie mit Feuer oder Licht zu verbunden. Lebensmittel liefern dem Menschen die für das Überleben notwendige Energie. Damit wird die Körpertemperatur aufrecht erhalten und die Muskeln (auch das Herz) erhalten die für viele Funktionen benötige Energie in Form von Glykogen.
Auf Lebensmittel findet man Informationen zur Energiemenge, die in einer Portion enthalten sind. Dabei verwendet man meist die veraltete Einheit kcal (cal von Kalorie und k als Vorsilbe Kilo = Faktor 1000). Der Name Kalorie leitet sich von dem lateinischen Begriff calor (= Wärme) ab.
Da die Einheit kcal veraltet und nicht genau festgelegt ist, muss auf jeder Verpackung immer auch die Einheit J (=Joule) bzw. kJ (=1000 J) vorhanden sein.
Die in einem Lebensmittel enthaltene Energiemenge wird meist in einem Bombenkalorimeter bestimmt, dass weiter vorne schon erwähnt wurde. Dabei wird das Lebensmittel verbrannt und man bestimmt die dabei freigewordende Energie.
Viele Menschen orientieren sich an diesen Energiemengen, um zum Beispiel für eine Diät genau festzustellen, wieviel Energie sie zu sich nehmen. Da ein erwachsener Mann zwischen 20 und 25 bei durchschnittlichem Gewicht und körperlichen Aktivität einen täglichen Energiebedarf bei 13.000 kJ (3.105 Kilokalorien) hat, müsste er weniger Kalorien zu sich nehmen um Gewicht zu verlieren.
Das Problem bei den Kalorienangaben auf den Lebensmittelverpackungen ist, dass die Lebensmittel im Körper nicht "verbrannt" werden. Stattdessen wandelt der Stoffwechsel in den Zellen sie in komplexeren Vorgängen, meist über mehrere Stufen hinweg, in energieärmere Stoffe um. Im Gegensatz zu der im Bombenkalorimeter entstehenden Asche, können diese Abfallprodukte noch Energie enthalten. Außerdem werden Bestandteile der Nachrung als Baustoffe im Körper verwendet und werden daher gar nicht für die Energieproduktion genutzt. Da gibt es auch Unterschiede bei den verschiedenen Bestandteilen der Nahrungsmittel:
- Kohlenhydrate werden ausschließlich zur Energie-Produktion genutzt.
- Eiweiße sind der Baustoff aus denen der Körper besteht. Daher wird der größte Teil zum Reparieren der Zellen genutzt. In der Nacht wird aus Eiweiß aber auch Zucker hergestellt, was vor allem für das Gehirn wichtig ist.
- Auch Fett ist ein wichtiger Baustoff für Zelle des Körper und Grundstoff für viele Hormone, die lebensnotwendig sind. Wenn genügend Energie in Form von Kohlenhydraten gegessen, kann der Körper Fett gut in Speichern für spätere Hungerperioden einlagern.
