Experimente:
Versuch: Synthese von Zinksulfid
Versuch: Neutralisationsreaktion
Versuch: Kaltes Licht - Luminol
Versuch: Sonnenlicht bleicht Farben aus
Versuch: Fotosynthese
Versuch: Mit Natriumhydrogencarbonat kann man einen Ballon aufblasen
Versuch: Demonstration von Knallgas
Versuch: Arbeiten mit Silberazid
Versuch: Elektrolyse von wässriger Natriumsulfatlösung
Versuch: Daniell-Element

Fragt man, was Chemie eigentlich ist, so hört man stets nur den Satz: "Chemie ist die Wissenschaft von den Eigenschaften der Stoffe und von deren Veränderung". Dass sich bei Stoffänderungen auch der Energie-Inhalt der Stoffe ändert, wird nur selten mit erwähnt.

Chemie ist die Lehre von den Stoffeigenschaften und deren Änderungen sowie von den mit den Änderungen verbundenen Energieumwandlungen.

Deshalb plädieren wir dafür, bei der Formulierung von Reaktionsgleichungen nicht nur die Änderung der beteiligten Stoffe anhand des Verteilungsmusters ihrer Atome zu berücksichtigen, sondern auch die Energieänderung mit einzubeziehen. Dann ist die Reaktionsgleichung die Beschreibung eines thermodynamisch abgeschlossenen Systems:

Zn + S ———> ZnS + Energie (-> Versuch)

• Energie ist das in einem System gespeicherte Vermögen, Arbeit zu verrichten.
• Man unterscheidet verschiedene Formen von Energien.
• Die verschiedenen Energieformen sind ineinander überführbar, das heißt, sie sind umwandelbar.
• Es geht keine Energie verloren.

Die Energie, die bei chemischen Reaktionen freigesetzt oder verbraucht wird, nennen wir unabhängig von ihrer Form Reaktionsenergie.

Manche chemische Reaktionen setzen Energie frei. Man nennt sie unabhängig von der Energieform exotherm (oder genauer exergon).

Chemische Reaktionen können zum Ablauf auch Energie benötigen. Man spricht dann von endotherm (oder endergon).

Alle Reaktionen müssen mit Hilfe einer Mindestmenge an Energie angeschoben werden. Diese Energie heißt unabhängig von ihrer Form Aktivierungsenergie.

Von den vielen bekannten Energieformen sind für unsere Zwecke nur einige wenige als wesentliche Auslöser oder als Folgen chemischer Reaktionen in Betracht zu ziehen. Dabei wollen wir uns auch nur auf die makroskopisch beobachtbaren Effekte beschränken.

A Chemische Energie
Das ist die Energie, die in den beteiligten Reaktionspartnern gespeichert ist. Sie ist gleich der Bindungsenergie. Sie kann (teilweise) bei einer chemischen Reaktion freigesetzt werden (exotherm) oder in der Verbindung gespeichert werden (endotherm). Besonders bei biochemischen Reaktionen können bei Spaltung von Bindungen simultan neue chemische Bindungen geknüpft werden, also chemische Energie einer Verbindung in die chemische Energie einer neuen Verbindung überführt werden. Im Normalfall des Schullabors wird die chemische Energie in andere Energieformen wie Wärme, Licht, Volumenarbeit oder elektrische Energie umgewandelt.

B Wärme (Thermische Energie)
Viele Reaktionen sind mit Veränderungen der Temperatur des Systems verbunden. Das kann Erwärmung oder Abkühlung bedeuten. Darauf beruhen auch die Bezeichnungen "exotherm" und "endotherm", obwohl man sie für alle Energieformen nimmt. Manchmal ist, wie bei der Neutralisationsreaktion, die Freisetzung von Wärme der einzige Hinweis, dass im System überhaupt etwas passiert. Die Grundreaktion ist die exotherme Vereinigung von Protonen (einer Säure) und den Hydroxid-Ionen einer Lauge:

H⁺ + OH^- ———> H₂O + Neutralisationsenergie

C Strahlungsenergie (Lichtenergie)
Es gibt nur wenige exotherme Reaktionen, bei denen (fast) ausschließlich Licht oder Strahlung freigesetzt wird. Ein bekanntes Beispiel ist die Chemolumineszenz ("Kaltes Licht", Luminolreaktion). Hier ist auch das Glühwürmchen-Leuchten zu nennen.
Bei vielen exothermen Reaktionen beobachtet man neben Lichterscheinungen auch die Freisetzung von großen Mengen an Wärme ("Feuer"). Man spricht dann von Verbrennungen.
Endotherme Licht/Strahlungs-Reaktionen sind Bräunung der Haut, Vergilben von Papier (-> Versuch), Fotosynthese (-> Versuch) und der Sehvorgang in unseren Augen.

D Volumenenergie (Volumenarbeit)
Entstehen Gase, so benötigen diese Platz, den sie durch Verdrängung anderer Materie erobern. Diese Arbeit gegen den Luftdruck oder gegen eine Gefäßwand ist die Volumenarbeit. Sie wird auch deutlich bei Verwendung eines Kolbenprobers oder eines Luftballons (-> Versuch). Wenn als Reaktionsenergie noch Wärme hinzukommt, wird die Volumenänderung durch die zusätzliche Wärmeausdehnung der entstandenen Gase unterstützt. Werden die Gase bei großer Hitze schlagartig in geschlossenen Räumen freigesetzt, kommt es zur Explosion. Die Volumenarbeit wandelt sich dabei in kinetische Energie der herumfliegenden Teile des zerplatzenden Gefäßes um. Zur Demonstration eignet sich die bekannte Knallgas-Explosion. Sie spielt auch eine Rolle bei Raketenstarts, beim Schießen und Sprengen (-> Versuch mit Silberazid), beim Entfalten eines Airbags oder die gedrosselten Explosionen beim Antrieb von Kraftfahrzeugen mit Benzin oder Dieseltreibstoff.

E Elektrische Energie
Lässt man Reduktion und Oxidation bei Elektronenübertragungsreaktionen an getrennten Orten ablaufen, so kann man die Reaktionsenergie in der Form von elektrischer Energie einsetzen oder abfangen. Im ersten, endothermen Fall sprechen wir von Elektrolyse (-> Versuch), im zweiten, exothermen Fall von Galvanischen Elementen (-> Versuch).

Die Energieumwandlungen verlaufen nicht immer wie gewünscht
Bei jedem Vorgang gibt es immer "Energieverluste". Die Gesamtenergie bleibt natürlich konstant. Das mit den Verlusten ist so zu verstehen, dass sich beispielsweise die chemische Energie statt in eine gewünschte elektrische Energie zum Teil in Wärme umwandelt. Erstere Energien bezeichnen wir gern als wertvolle Energieformen, die Wärme dagegen als wertlose. Das wird deutlich, wenn man bedenkt, dass bei Autos letztlich nur etwa 16 % der chemischen Energie, die im Benzin steckt, zum Antrieb genutzt werden können, also in wertvolle kinetische Energie umgewandelt werden. Der Rest geht als abgestrahlte Wärme und zum Überwinden von Reibungen verloren. Hier kommt der Wirkungsgrad ins Gespräch.

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