Energie bei chemischen Reaktionen erklärt: Exotherm & Endotherm

Stell dir vor, du sitzt an einem kalten Abend an einem Lagerfeuer. Das brennende Holz spendet dir Licht und wohlige Wärme. Wenn du am nächsten Tag aber einen Kuchen backen möchtest, musst du den Backofen einschalten und ihm ständig Strom zuführen, damit es heiß bleibt.

Beides hat mit Chemie zu tun! Bei chemischen Reaktionen wandeln sich nicht nur Stoffe um, sondern es wird auch immer Energie ausgetauscht. In diesem Artikel lernst du alles über die Energie bei chemischen Reaktionen und warum manche Reaktionen von selbst brennen wie ein Lagerfeuer, während andere ohne ständige Hilfe sofort stehen bleiben würden.

Vorwissen

• Edukte (Ausgangsstoffe): Die Stoffe, die man am Anfang einer chemischen Reaktion hat. Beispiel: Wenn Eisen rostet, sind Eisen und Sauerstoff die Edukte.
• Produkte (Reaktionsprodukte): Die neuen Stoffe, die bei der Reaktion entstehen. Beispiel: Der entstandene Rost ist das Produkt.

Aufgabentyp 1: Reaktionsgleichungen mit Energie aufstellen

Chemiker teilen alle Reaktionen in zwei große Gruppen ein, je nachdem, was mit der Energie passiert. Die Namen dafür kommen aus dem Griechischen: therme bedeutet Wärme, exo bedeutet außen und endon bedeutet innen.

Exotherme Reaktionen (Energie wird frei)

Das sind Reaktionen, bei denen Energie (meist als Wärme oder Licht) an die Umgebung abgegeben wird. Die Energie geht also nach außen.

• Beispiel: Das Verbrennen von Holz oder Kohle.
• In einer Wortgleichung schreiben wir die Energie auf die Seite der Produkte, weil sie entsteht: $\text{Edukte} \to \text{Produkte} + \textcolor{#FF7D57}{\text{Energie}}$

Endotherme Reaktionen (Energie wird benötigt)

Das sind Reaktionen, die nur ablaufen, wenn man ihnen ständig Energie zuführt. Sobald du aufhörst, sie zu erhitzen, stoppt die Reaktion sofort. Die Energie muss also nach innen fließen.

• Beispiel: Das Zerlegen von Wasser in seine Bestandteile durch elektrischen Strom.
• In der Wortgleichung steht die Energie bei den Edukten, weil sie wie eine Zutat benötigt wird: $\text{Edukte} + \textcolor{#08BFFF}{\text{Energie}} \to \text{Produkte}$

Vielleicht fragst du dich jetzt: Wenn ein Stück Holz beim Verbrennen so viel Energie freisetzt (exotherm), warum fängt der Schreibtisch in deinem Zimmer nicht einfach von selbst an zu brennen?

Die Antwort ist: Fast alle exothermen Reaktionen brauchen einen kleinen „Schubs“, um zu starten. Man muss sie auslösen. Das bedeutet, man muss am Anfang eine kleine Menge thermischer Energie (Wärme) zuführen.

Stell dir ein Gemisch aus Eisenpulver und Schwefelpulver vor. Wenn sie nur auf dem Tisch liegen, passiert gar nichts. Berührt man das Gemisch aber mit einer glühenden Stricknadel, startet die Reaktion an dieser einen kleinen Stelle.

Der große Unterschied zur endothermen Reaktion:

Sobald die Reaktion durch die Nadel ausgelöst wurde, wird so viel eigene Wärme frei, dass sich das restliche Pulver von ganz alleine entzündet. Das Glühen wandert von selbst durch das gesamte Gemisch. Du musst die Nadel nicht mehr hinhalten! Bei einer endothermen Reaktion müsstest du hingegen die ganze Zeit weiterheizen.

Jeder Stoff in der Chemie besitzt einen bestimmten Energiegehalt. Du kannst dir das wie ein unsichtbares Energiekonto vorstellen, das in den Stoffen gespeichert ist.

Bei einer exothermen Reaktion haben die Edukte (Ausgangsstoffe) ein sehr volles Energiekonto. Die Produkte haben danach ein viel kleineres Energiekonto. Die Differenz zwischen diesen beiden Kontoständen ist die Reaktionsenergie, die als Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Viele chemische Reaktionen, wie die Oxidation von Metallen, sind umkehrbar. Das bedeutet, man kann aus den Produkten wieder die Edukte machen. Schauen wir uns das am Beispiel von Silber und Sauerstoff an:

• Hinreaktion (exotherm): Silber und Sauerstoff reagieren zu Silberoxid. Dabei wird Energie abgegeben (roter Pfeil nach unten).
• Rückreaktion (endotherm): Um das Silberoxid wieder in Silber und Sauerstoff zu zerlegen, muss man es stark erhitzen. Es wird Energie aufgenommen (blauer Pfeil nach oben).

Das Wichtigste dabei: Der Betrag der Reaktionsenergie ist in beide Richtungen exakt gleich groß. Die Energie, die bei der Bildung frei wird, musst du bei der Zerlegung wieder exakt als Wärme hineinstecken.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde Edukte und Produkte: Lies den Text genau und bestimme, was am Anfang da ist und was neu entsteht.
2. Bestimme den Reaktionstyp: Überlege, ob die Reaktion von selbst weiterläuft (exotherm) oder ständig erhitzt werden muss (endotherm).
3. Schreibe die Gleichung auf: Notiere „+ Energie“ bei exothermen Reaktionen rechts (Produkte) und bei endothermen links (Edukte).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Exotherme Reaktionen geben Energie (Wärme/Licht) an die Umgebung ab.
• Endotherme Reaktionen benötigen eine ständige Energiezufuhr, um abzulaufen.
• Viele exotherme Reaktionen starten nicht von selbst, sondern müssen durch eine kleine Menge Startenergie ausgelöst werden.
• Bei umkehrbaren Reaktionen ist die aufgenommene Energie der Hinreaktion exakt genauso groß wie die abgegebene Energie der Rückreaktion.