Wann gibt eine chemische Reaktion Energie ab?

Wann gibt eine chemische Reaktion Energie ab? – Ein Blick auf exotherme Prozesse

Chemische Reaktionen sind im Grunde Umlagerungen von Atomen und Molekülen. Dabei kann Energie in Form von Wärme, Licht oder anderen Formen freigesetzt oder aufgenommen werden. Wann genau eine Reaktion Energie abgibt, hängt von den beteiligten Stoffen und der Art der Bindungen ab, die gebrochen und gebildet werden. Die entscheidende Kennzeichnung solcher Reaktionen ist ihre Exothermie.

Exotherme Reaktionen sind durch eine negative Reaktionsenthalpie (ΔH < 0) gekennzeichnet. Das bedeutet, dass die Energie der Produkte niedriger ist als die Energie der Edukte. Die Differenz wird als Wärme an die Umgebung abgegeben. Dieser Energieüberschuss resultiert aus der Bildung neuer, stärkerer Bindungen in den Produkten. Die Energie, die benötigt wird, um die bestehenden Bindungen in den Edukten zu brechen, ist geringer als die Energie, die bei der Bildung neuer Bindungen in den Produkten freigesetzt wird. Der Nettoeffekt ist eine Energiefreisetzung.

Die Oxidation von Eisen, wie im einleitenden Beispiel erwähnt, ist ein klassisches Beispiel für einen exothermen Prozess. Die Reaktion von Eisen (Fe) mit Sauerstoff (O₂) aus der Luft unter Bildung von Eisenoxid (Rost, Fe₂O₃) setzt Wärme frei. Die Bildung der starken Eisen-Sauerstoff-Bindungen im Eisenoxid ist energetisch günstiger als die schwächeren Bindungen im elementaren Eisen und Sauerstoff. Die Beschleunigung durch Luftfeuchtigkeit (Wasser) wirkt katalytisch und erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, die Energiefreisetzung bleibt jedoch gleich.

Weitere Beispiele für exotherme Reaktionen sind:

• Verbrennung: Die Verbrennung von Brennstoffen wie Holz, Gas oder Benzin ist ein hoch exothermer Prozess, der große Mengen an Wärme und Licht erzeugt. Hierbei werden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in den Brennstoffen gebrochen und neue, energetisch günstigere Bindungen mit Sauerstoff gebildet.
• Neutralisationsreaktionen: Die Reaktion einer Säure mit einer Base, z.B. die Reaktion von Salzsäure (HCl) mit Natronlauge (NaOH), ist ebenfalls exotherm. Die Bildung von Wasser und Salz setzt Wärme frei.
• Kernreaktionen: Auch Kernspaltung und Kernfusion sind exotherme Prozesse, die immense Mengen an Energie freisetzen. Diese Reaktionen beruhen jedoch auf Veränderungen im Atomkern und nicht auf der Umlagerung von Elektronen in der Elektronenhülle.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Energiefreisetzung in exothermen Reaktionen nicht mit einer Abnahme der Gesamtmasse einhergeht. Dies wäre ein Verstoß gegen den Gesetz der Erhaltung der Masse. Vielmehr wandelt sich die Energie lediglich von chemischer Bindungsenergie in Wärmeenergie um. Die Gesamtmenge an Energie bleibt erhalten. Die Aussage über die Energiefreisetzung bezieht sich auf die Änderung der chemischen Energie, nicht auf die Gesamtmasse.