Chemie - Schlüssel zur Energie von morgen - Informationsserie - VCI
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Themengebiet: Schule, Ausbildung, Bildung
Themengebiet: Schule, Ausbildung, Bildung
Informationsserie
Chemie — Schlüssel zur Energie von morgen
Seite
Inhalt 3
Vorwort 4
Arbeitsblätter und Versuche 5
1 Einleitung 6
2 Methodisch-didaktische Einführung 8
3 Grundbegriffe der Energie 10
4 Chemie und Energie 16
5 Beleuchtung 22
6 Wohnen und Wärme 34 6.1 Photovoltaik
41 6.2 Solarthermie
45 6.3 Stationäre Brennstoffzelle
50 6.4 Dämmmaterialien
7 Mobilität 54 7.1 Mobile Kommunikation und Unterhaltung
60 7.2 Energiesparen durch Leichtbau
63 7.3 Treibstoffe aus Biomasse
65 7.4 Power-to-X
8 Glossar 67
Impressum 69
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wurde im gesamten Textheft
die männliche Sprachform gewählt.
Im Glossar können die mit * markierten Begriffe nachgeschlagen werden.
3
Energie gilt als das Lebenselixier unserer Zivilisation. Die vorliegende Informationsserie behandelt die
Sie ist die treibende Kraft hinter Wachstum und Wechselbeziehung von Chemie und Energie im
Vorwort
Wohlstand. Kontext aktueller Anwendungen sowie technischer,
Im Umgang mit ihr zeichnet sich international ein ökonomischer und ökologischer Chancen, aber auch
Wandel ab, hin zu verantwortungsvollerem, nachhal- Hemmnisse. Wir haben dieses spannende und
tigerem Handeln. Die Gründe dafür liegen vor allem gesellschaftlich wichtige Thema anschaulich und für
im Klimawandel, als dessen Hauptursache die vom den naturwissenschaftlichen Unterricht verwertbar
Menschen gemachten Kohlenstoffdioxidemissionen aufbereitet.
gelten. Ebenso wie die anderen Unterrichtsmaterialien des
Ein effizienterer Umgang mit Energie erfordert Fonds der Chemischen Industrie wird die Informations-
Innovationen in zahlreichen Branchen und Lebens- serie „Chemie — Schlüssel zur Energie von morgen“
bereichen. Viele dieser Innovationen stammen aus der Schulen, Hochschulen und außerschulischen Bildungs-
chemischen Industrie. Beginnend bei der Möglichkeit, einrichtungen kostenlos zur Verfügung gestellt. Das
Verbrennungsprozesse in Kraftwerken oder Antriebe Textheft wird durch eine beiliegende CD-ROM ergänzt,
von Transportmitteln effizienter zu gestalten, über auf der Vorschläge für Schülerarbeitsblätter und -versuche
Konzepte zur Nutzung bisher weitgehend ungenutzter gemacht werden. Sie enthält zudem die Abbildungen
Energieträger wie Wasserstoff bis hin zu neuen des Textheftes als PowerPoint-Dateien. Das Textheft
Materialien für eine wirkungsvollere Umwandlung von und die PowerPoint-Dateien stehen auch im Internet
Sonnen- und Windenergie. unter www.fonds.vci.de zum Download bereit.
Da Energie einen erheblichen Kostenfaktor in der
Produktion darstellt, hat die chemische Industrie Frankfurt am Main,
bereits aus wirtschaftlichen Gründen ein großes Der Herausgeber
Interesse, in den eigenen Betrieben energieeffizient
zu produzieren.
Dazu gehören auch Strategien zur Effizienzverbesse-
rung im Bereich der Prozessführung, zum Beispiel
durch verstärkte Nutzung der Katalyse.
Ebenso wichtig wie die fortschreitende Verbesserung
von Materialien, Produkten und Verfahren ist die
chemische Energieforschung. Sie befasst sich zum Teil
mit unkonventionellen, gänzlich neuen Anwendungen.
Ihre Forschungsaktivitäten sind eher auf mittel- oder
langfristige Zeiträume ausgelegt und werden,
realistisch betrachtet, auch nicht alle zu Erfolgen
führen. Noch ist zum Beispiel nicht klar, ob eines Tages
Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe in Bioreaktoren
durch Mikroalgen produziert werden kann. Oder ob die
seit einigen Jahren verfügbaren foliendünnen, trans-
parenten und beliebig großen Farbstoffsolarzellen die
Erwartungen bezüglich Wirkungsgrad, Dauerhaftigkeit
und Wirtschaftlichkeit erfüllen werden.
4
Arbeitsblätter Physik — Übersicht
PHY–AB
Thema Niveau Kapitel Seitenbezug
Themengebiet: Schule, Ausbildung, Bildung
Nr.
1 Energieumwandlungsketten A Basis 3 10
2 Tabelle zur Energieumwandlung A Basis 3 10 Informationsserie
Chemie – Schlüssel zur Energie von morgen
3 Das Wachstum von Algen in Tropfsteinhöhlen B Mittelstufe 5 24 © 2011 Fo
nds der Chemischen I
ndustr
ie
Wie viel Energie steckt in einer Badewanne
4 B Mittelstufe 6.2 42
voll warmem Wasser?
5 Modellrechnung zur Kraftstoffeinsparung B Mittelstufe 7.2 60
Experimente Physik — Übersicht
PHY–EX
Thema Niveau Kapitel Seitenbezug
Nr.
1 Einfache Experimente A Basis 3 10
2 Erwärmung von Körpern durch Wärmestrahlung B Mittelstufe 3 11
Messung des Wirkungsgrades eines
3 B Mittelstufe 3 11
elektrischen Wasserkochers
Vergleich der Beleuchtungsstärke einer Glühlampe und A Basis
4 5 22
einer Energiesparlampe mithilfe der Fettfleckfotometrie B Mittelstufe
Betrachtung der Spektren verschiedener Lampen
5 B Mittelstufe 5 24
mit einfachen Spektrometern
Die Sperrspannung verschiedenfarbiger LEDs
6a C Oberstufe 5 30
[Grundversuch]
Die Sperrspannung verschiedenfarbiger LEDs
6b C Oberstufe 5 30
[fortgeschritten => Planck-Konstante]
Experiment mit Solarzellen und
7 A Basis 6.1 34
einfachen „Verbrauchern“
8 Der Wirkungsgrad einer Solarzelle C Oberstufe 6.1 37
9 Selbstbau eines Solarkocher-Modells A Basis 6.2 41
Wettbewerb zur Wärmedämmung A Basis
10 6.4 51
mit verschiedenen Materialien B Mittelstufe
Experimente und weiterführende Aufgaben Chemie — Übersicht
CH–EX
Thema Niveau Kapitel Seitenbezug
Nr.
1 Modellversuch zum Autokatalysator B Mittelstufe 4 16
2 Kalorimeter und Wärmekapazität B Mittelstufe 4 19
Satz von Hess:
3 B Mittelstufe 4 21
Bestimmung der Reaktionsenthalpie
4 Betrieb einer Brennstoffzelle B Mittelstufe 6.3 45
5 Volta–Element — Die Idee des Herrn Volta B Mittelstufe 7.1 55
Elektrolyse einer Zinkbromidlösung
6 B Mittelstufe 7.1 55
an Kohleelektroden und deren Umkehrung
7 Wie ist eine Taschenlampenbatterie aufgebaut? B Mittelstufe 7.1 56
Blei-Akkumulator
8 B Mittelstufe 7.1 56
Wiederverwenden statt wegwerfen
9 Recycling von Akkuschrott B Mittelstufe 7.1 57
Lithium-Ionen-Batterie
10 C Oberstufe 7.1 58
Leistungswunder durch Lithium-Ionen
11 Nickel-Metallhydrid-Akku(mulator) C Oberstufe 7.1 59
5
1 Einleitung
Chemie und Energie sind ein perfektes Paar. Ohne das verständnis hinaus auf sehr lebensnahe Weise erkennen,
physikalische Verständnis der Energie und der Umwand wo Nutzen und Perspektiven der Wechselbeziehung von
lung von Energieformen ineinander ist die wissenschaft- Chemie und Energie liegen. Wir sehen es den Erzeug-
liche Erklärung chemischer Reaktionen nicht möglich. nissen der chemischen Industrie nicht immer an — aber
Umgekehrt spielen chemische Reaktionen eine ent- bereits bei der Herstellung vieler chemischer Produkte
scheidende Rolle dabei, wie wir Energie gewinnen, spielen moderne Katalysatoren, beispielsweise biotech-
speichern, umwandeln und nutzen. nologisch gewonnene Enzyme, eine immer wichtigere
Rolle. Sie helfen, den Energieaufwand und den Verbrauch
In unserem Alltag finden wir hierfür zahlreiche Beispiele. an wertvollen Ressourcen im Produktionsprozess deut-
Sie lassen uns über das naturwissenschaftliche Grund- lich zu senken.
1
Energieeinsparungen dank Chemie: Dieses Prinzip findet Energie muss auch bereitgestellt werden, damit wir mobil
sich in der Lichttechnik ebenso wie im Bauwesen. Es gilt sein können. Die Verbrennung fossiler Energieträger,
in der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie genauso wie in vor allem für Fahrzeugantriebe, ist wegen des fort-
der elektronischen Kommunikation und Unterhaltung. schreitenden Klimawandels und der Endlichkeit dieser
Längst haben Kompaktleuchtstofflampen die klassische Rohstoffe auf lange Sicht ein Auslaufmodell. Eine mög-
Glühlampe in fast allen Bereichen abgelöst. Ihnen folgen liche Lösung des Problems sah man im Umstieg auf
die sehr kleinen, hellen und noch energieeffizienteren Biokraftstoffe aus Pflanzen. Sie galten lange als klima-
Leuchtdioden (LEDs) auf Basis von Halbleiterkristallen schonende Alternative zum Mineralöl-Kraftstoff. Aller-
nach. Seit einigen Jahren setzen sich organische Leucht- dings ist es wichtig, dass Agrarflächen für Ernährungs-
dioden immer mehr durch, sowohl für Displays aller pflanzen nicht auf Kosten der „Treibstoffproduktion
Größen als auch im Beleuchtungssektor. Sie sind sehr vom Acker“ verringert werden. Auch darf die Agrarnut-
flexibel einsetzbar und besonders energieeffizient. zung nicht weiter zur Vernichtung der tropischen
Wälder führen. Derzeit werden große Anstrengungen
Nicht Licht durch Stromfluss, sondern Stromfluss durch unternommen, um Biokraftstoffe der zweiten und
Lichteinfall — das ist das Grundprinzip der Photovoltaik. dritten Generation zu erzeugen, zu deren Herstellung
Im Spektrum der erneuerbaren Energien gewinnt die ausschließlich auf Biomasse zurückgegriffen wird, die
Nutzung der Sonnenenergie immer größere Bedeutung. nicht für Nahrungsmittel oder Futtermittel Verwendung
Und auch hier kann man beobachten, wie technologischer findet. Gleichzeitig entwickelt sich die Elektromobilität
Fortschritt die Wirkungsgrade und Einsatzmöglichkeiten dynamisch. Immer mehr in- und ausländische Hersteller
von Solarmodulen verbessert. Dies zeigt sich etwa im fertigen Elektroautos in Großserie, und das Netz der
Vergleich der starren Solarzellen aus kristallinem Silicium Stromtankstellen in Deutschland wächst stürmisch. Die
mit den modernen, flexiblen Dünnschichtsolarzellen. Aber Bundesregierung strebt an, dass bis etwa 2022 eine
die Forschung denkt noch weiter: Foliendünne, transpa- Million reine Elektroautos auf Deutschlands Straßen
rente Module mit organischen Halbleitermaterialien unterwegs sind. Dies wäre nicht möglich ohne die Elektro
könnten — angebracht an der Fassade — in Zukunft ganze chemie und neue Materialien, mit denen sich die Leistung
Hochhäuser mit Strom versorgen, denn diese Materialien von Ionenakkus oder Brennstoffzellen optimieren lässt.
sind photoreaktiv, d. h., in ihnen wird durch Belichtung Fortschritte auf diesem Gebiet kommen nicht nur dem
eine elektrische Spannung erzeugt. Sie wären durch Verkehrs- und Transportwesen zugute, sondern auch der
Drucktechniken in der Massenproduktion sehr günstig Leistung und dem Bedienkomfort der vielen kleinen
und umweltverträglich herzustellen. „mobilen Endgeräte“, die uns täglich begleiten — wie
Laptop, Smartphone oder Rasierapparat.
Neben dem Licht der Sonne ist auch die Wärmegewinnung
und -speicherung in modernen Energiekonzepten fest Power aus der Chemie für den Energiesektor —
verankert. Ohne wirksame Absorbermaterialien wäre ein Thema, das Spannung garantiert.
Solarthermie für die Warmwasserbereitung und Heizung
lange nicht so effektiv. Die gewonnene Wärme auch im
Haus zu halten, ist möglich durch innovative Dämm-
stoffe, zum Beispiel aus organischen Polymeren wie
Polystyrol oder anorganischen Polymeren wie Silicat-
Aerogelen sowie Naturfasern.
7
2 Methodisch-didaktische Einführung
Methodisch-didaktische Einführung Auf dem ersten Niveau erfolgt eine kontextorientierte
Begegnung mit dem Thema und gleichzeitig werden
Der Begriff „Energie“ spielt in allen drei naturwissen- wichtige Begriffe wie Energieformen, Energiewandlung
schaftlichen Fächern über alle Klassenstufen hinweg und Energieentwertung propädeutisch thematisiert.
eine zentrale Rolle. Fundamentale Größen wie die An weiteren Beispielen erfolgt auf dem zweiten Niveau
Energie werden allerdings nur dann begreiflich, wenn mit ersten quantitativen Betrachtungen die Einführung
man klarmacht, welche verschiedenen Phänomene sie wesentlicher Größen und Einheiten für die physikalisch-
jeweils zusammenfassen und wie sie das tun. Dabei chemische Beschreibung energetischer Vorgänge, hier
werden Gemeinsamkeiten und Regeln sichtbar. Über unter besonderer Berücksichtigung der Begriffe
die Energie sind Naturerscheinungen miteinander Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wirkungsgrad.
verknüpft, die aus verschiedenen fachlichen Perspek- In der dritten Ebene geht es im Oberstufenunterricht
tiven betrachtet werden können. schließlich um die Einführung und inhaltliche Erläu-
Bei der Gestaltung des Informationspaketes sind die terung/Erklärung von Begriffen wie Enthalpie und
Autoren davon ausgegangen, dass für eine aufbauende, freie Enthalpie.
vertikale Entwicklung eines Basiskonzepts in jedem Die Beziehung der Chemie zum Thema Energie wird
Fach eine Reihe von Inhalten und Begriffsbildungen ebenfalls auf den drei Niveaus dargestellt. Es finden
als verbindliche Anforderungen von den Schülern sich Beispiele für einfache Betrachtungen energie-
verstanden werden muss. Diese werden im vorliegen- reicher Stoffumwandlung über elektrochemische und
den Informationspaket auf drei Anspruchs- kalorimetrische Prozesse hin zur quantitativen Beschrei-
niveaus dargestellt: bung des Energieumsatzes bei chemischen Reaktionen.
Alle Aspekte sind begleitet von Arbeitsblättern der
Grundlagen — am Phänomen orientierte Physik und Chemie sowie einer Reihe erprobter
exemplarische Begegnung mit dem Thema Experimente, die ebenso wie alle Abbildungen auf der
CD-ROM zu finden sind. Die Begleitmaterialien sind
A Basis gezielt auf ihren möglichen Einsatz (Niveau, Alters-
gruppe) abgestimmt. Die Zuordnungen sind jeweils
Darlegung der wesentlichen konzeptuellen angegeben, sodass die Unterrichtsplanung erleichtert
Prinzipien mit ersten quantitativen und formali- wird.
sierten Zugängen, die inhaltlich auf einem oberen
Mittelstufenniveau zu realisieren sind
B Mittelstufe
Konkretisierung an ausgewählten Beispielen auf
Oberstufenniveau mit detaillierten chemisch-
physikalischen Erklärungen
C Oberstufe
8
Die für dieses Basiskonzept unerlässliche horizontale Die in diesem Informationspaket behandelten
2
Verknüpfung zwischen den Nachbardisziplinen Teilthemen sind von den Bildungsstandards Chemie
Chemie, Biologie und Physik ist jedoch von nicht und Physik für den mittleren Schulabschluss prin-
minderer Bedeutung und ist ein besonderes Anliegen zipiell abgedeckt, allerdings in unterschiedlichem
der Autoren. Nachdem die Grundlagen des Themas Ausmaß. Für den Oberstufenunterricht bestehen keine
behandelt und die Beziehung der Chemie zum Thema Probleme, die genannten Beispiele zu thematisieren;
herausgestellt worden ist, kann die Reihenfolge der hier wird die Lehrkraft eigene Schwerpunkte setzen.
Themen Beleuchtung, Wohnen und Wärme sowie Alle Anwendungen, die in diesem Informationspaket
Mobilität frei kombiniert werden. Jedes Teilthema wird angesprochen werden, spielen nicht nur im Alltag der
im Textteil eingeleitet und in wichtigen Zusammen- Schülerinnen und Schüler eine unmittelbare und
hängen erläutert. Die den einzelnen Teilaspekten spürbare Rolle; an ihnen lassen sich zugleich wichtige
zugeordneten Arbeitsblätter erlauben ein vertieftes chemische und physikalische Konzepte veranschau-
Eindringen in die Thematik. Wo möglich und sinnvoll lichen und erarbeiten. Auf diese Weise können sich
sind erprobte Experimente beschrieben, die eine Kontextorientierung und Konzeptbezug sehr gut
problemorientierte und motivierende Erarbeitung der ergänzen.
Teilaspekte begleiten. Alle Schülermaterialien sind so Das Informationspaket hilft, die (häufig unterschätz-
aufgebaut, dass allein ein „Nachlesen“ und „Nach- ten) Grade der Vernetzung des Themas Energie
kochen“ nicht zum Verständnis führen wird. Vielmehr innerhalb eines naturwissenschaftlichen Faches und
steht die Auseinandersetzung des Schülers mit dem auch zwischen den Fächern für die Schülerinnen und
Lerngegenstand im Mittelpunkt. Schüler sichtbar werden zu lassen — eine wichtige
Voraussetzung für anschlussfähiges und nachhal-
tiges Lernen.
HO O O
COOH
Fluorescein
9
3 Grundbegriffe der Energie
A Basis
Energie — Grundlagen und Definition diese elektrische Energie in Bewegungsenergie, ein
Tauchsieder in thermische Energie um.
Energie ist ein grundlegender Begriff, der es erlaubt,
Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten in der Natur und in So gibt es vielfältige Beispiele für Energieformen und
der Technik zu beschreiben. Energiewandler.
Wärme entsteht übrigens immer, wenn Energieformen
Doch Energie ist nicht gleich Energie. Sie kommt in zahl gewandelt werden — umgekehrt kann Wärmeenergie
reichen Formen vor, die auf unterschiedliche Weise in- jedoch nicht vollständig in andere Energieformen um-
einander umgewandelt werden können: gewandelt werden. Man spricht deshalb in diesem
— Der Mountainbike-Fahrer „arbeitet“ sich den Berg Zusammenhang auch von „Abwärme“ oder „Energie-
hoch, er erlangt dabei Lageenergie. Dabei nutzt er entwertung“.
die Energie, die in seiner Nahrung steckt. Sie ermög-
licht ihm, Arbeit zu verrichten. In seinen Muskelzellen METHODISCHE ANMERKUNG
wird diese chemische Energie in Bewegungsenergie
umgewandelt — allerdings nicht vollständig, denn ein Einfache Experimente (PHY–EX1)
Teil wird zu thermischer Energie: Der Radfahrer Vorschläge für zahlreiche einfache Experimente zum
kommt ins Schwitzen. Thema „Energieumwandlung“
— In Solarzellen wird Strahlungsenergie direkt in elektri-
sche Energie umgewandelt, ein Elektromotor wandelt
ABBILDUNG 3–1
Beispiele für Energiewandlung
METHODISCHE ANMERKUNG
Energieumwandlungsketten (PHY–AB1) und
Tabelle zur Energieumwandlung (PHY–AB2)
Die Arbeitsblätter vermitteln ein Verständnis davon,
wo im Alltag Energieumwandlung eine Rolle spielt.
10B Mittelstufe
Vom Kochfeld zum Schutzanzug: Wie effektiv geschieht Energieumwandlung?
wie Wärme übertragen wird Bei Heizanwendungen ist es das Ziel, den Energiegehalt
beispielsweise von Heizöl möglichst vollständig in nutz-
Energie kann auf unterschiedliche Arten übertragen bare Wärmeenergie zu überführen. Das Verhältnis von
werden. eingesetzter zu nutzbarer Energie wird dabei als
Eine Möglichkeit ist die Übertragung durch Wärmestrah- Wirkungsgrad bezeichnet.
lung, d. h. durch elektromagnetische Wellen, zum Beispiel
nutzbare Energie Waus
3
durch sichtbares Licht oder Infrarotlicht. Letzteres umfasst Wirkungsgrad = oder η =
elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen zwischen eingesetzte Energie Wein
780 nm und 1.000.000 nm (1 mm). Ein Kochfeld aus Glas-
keramik überträgt seine Wärmeenergie im Wesentlichen Bei modernen Gasheizungen mit Brennwerttechno
durch Infrarotstrahlung auf Töpfe oder Pfannen. logie zum Beispiel liegt dieser Wert bei über 0,99. Das
heißt: Die im Gas enthaltene chemische Energie wird
METHODISCHE ANMERKUNG nahezu vollständig zum Erwärmen der Wohnung genutzt.
Bei einer herkömmlichen Glühlampe hingegen werden
Experiment zur Erwärmung von Körpern
nur etwa 5 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie
durch Wärmestrahlung (PHY–EX2)
in sichtbares Licht umgewandelt; der große Rest „verpufft“
Messung des Wirkungsgrades eines als Wärme. Der erwähnte Mountainbike-Fahrer hat übri-
elektrischen Wasserkochers (PHY–EX3) gens einen maximalen Wirkungsgrad von 0,3.
Siehe Versuchsvorschriften.
TABELLE 3–1
Wärme „steckt“ in der schnellen Schwingung bzw. Be- Wärmewirkungsgrade von Verbrennungsprozessen
wegung von Atomen und Molekülen eines Stoffes. Man (Umwandlung chemischer in thermische Energie)
kann thermische Energie also als die Bewegungsenergie
dieser Teilchen auffassen: Je schneller diese Bewegung Wärmequelle Wirkungsgrad (%)
ist, desto mehr thermische Energie hat ein Feststoff, Gasherd (Haushalt) 30–40
eine Flüssigkeit oder ein Gas und desto höher ist die Kohleofen 30–50
Temperatur. Durch Kontakt zwischen Körpern unter- Kohleofen (Industrie) 80–90
schiedlicher Temperatur fließt thermische Energie vom Gasheizung 80–99
wärmeren zum kälteren Körper. Wie schnell dieser Wärme-
fluss — die sogenannte Wärmeleitung — erfolgt, ist un-
ter anderem abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Bei der Betrachtung des Wirkungsgrades und der quan-
Materialien. Bei einem Heizkörper soll Wärme möglichst titativen Verhältnisse bei der Umwandlung von Energie-
schnell übertragen werden. Deshalb besteht er aus einem formen stellt sich die Frage nach der Einheit, in welcher
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (heutzutage meist wir Energie messen. Schauen wir uns genau um, so be-
Stahl) und ist gerippt, sodass er eine große Kontaktfläche gegnet uns diese Einheit täglich, und zwar auf Lebens-
mit der zu erwärmenden Luft hat. mittelverpackungen: Das Kilojoule. Man kann das Joule
(nach dem englischen Physiker James Joule) unterschied-
Wärmeübertragung unerwünscht: lich definieren, je nachdem ob man mechanische Arbeit
Feuerwehrleute im Einsatz tragen Hitzeschutzanzüge, oder Wärmemengen betrachtet. Doch wir wollen uns
die aus isolierendem Material bestehen, also einem hier auf Letzteres beschränken: Um ein Gramm Wasser
Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit. Außerdem von 15 °C auf 15,239 °C zu erwärmen, benötigt man
haben solche Anzüge eine metallisierte Oberfläche, die ein Joule.
von Flammen ausgehende Infrarotstrahlung reflektiert.
11C Oberstufe
Energie im Fluss — Emission, Absorption & Co. Dieser Zusammenhang ist durch das Wien’sche Verschie-
bungsgesetz dargestellt:
Alle Körper emittieren und absorbieren elektromagneti-
λmax = 2,898 mm · K / T
sche Strahlung in einem weiten Spektrum. Wenn elektro-
magnetische Strahlung auf einen Gegenstand trifft, so
wird sie teilweise reflektiert und teilweise absorbiert — ein Neben der geschilderten Übertragung von thermischer
heller Körper reflektiert viel sichtbares Licht, während Energie durch Strahlung und durch Konvektion, also
ein dunkler Körper den größten Teil absorbiert. Strömungsvorgänge, die durch Temperaturunterschiede
Die von einer Oberfläche emittierte Strahlungsleistung ausgelöst werden (beispielsweise über einem Heizkörper),
lässt sich mit dem Stefan-Boltzmann’schen-Gesetz be- ist die dritte Variante die Wärmeleitung in Körpern,
schreiben: also durch direkte Wechselwirkung zwischen ihren
Atomen und Molekülen. Betrachtet man etwa einen
PE = e · σ · A · T4
Metallstab, der ein Reservoir mit Eiswasser mit einem
PE: emittierte Leistung Reservoir mit heißem Wasser verbindet, so wird sich die
e: Emissionsgrad, liegt zwischen 0 und 1, Temperatur in diesen Reservoirs durch den Wärme-
abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit strom, der durch diesen Stab fließt, angleichen. Dieser
σ: Stefan-Boltzmann-Konstante (5,6703 · 10–8 W · m–2 · K–4) Wärmestrom ist gegeben durch:
A: Größe der Oberfläche
I = ΔQ/Δt = k · A · ΔT/Δx
T: absolute Temperatur* in Kelvin
I: Wärmestrom
HINWEIS ΔQ: Wärmemenge
Δt: Zeitspanne der Wärmeübertragung
Kelvin ist die Einheit der absoluten Temperatur. k: Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleiters
Der absolute Nullpunkt (also 0 K) liegt bei A: Querschnittsfläche des Wärmeleiters
−273,15 °C. ΔT: Temperaturdifferenz
Δx: Länge des Wärmeleiters
Emittiert ein Körper mehr Strahlung, als er absorbiert, Der Wärmestrom (in Watt) durch den Wärmeleiter ist
so kühlt er ab und erwärmt dabei seine Umgebung. Absor- also proportional zu dessen Querschnittsfläche A, dem
biert er hingegen mehr, als er emittiert, erwärmt er sich Temperaturgradienten ΔT/Δx und dem Proportionalitäts-
auf Kosten der Umgebung. Somit kann man für die Netto- faktor k, welcher die Wärmeleitfähigkeit eines Materials
Strahlungsleistung ΔP eines Körpers mit der Temperatur angibt. Besonders hohe Wärmeleitfähigkeit haben
T1 in einer Umgebung mit der Temperatur T2 schreiben: Metalle wie Silber (429) und Kupfer (401), niedrige
Werte weisen dagegen Glas (0,7 bis 0,9) oder Hartholz
ΔP = e · σ · A · (T14 – T24)
(0,15) auf (Werte jeweils in W · K–1 · m–1).
Wenn T1 und T2 gleich groß sind, absorbiert der Körper
genauso viel Strahlungsleistung, wie er emittiert — er HINWEIS
befindet sich also mit der Umgebung im thermischen
Gleichgewicht. Enthalpie und Entropie:
Betrachtet man die Wellenlänge, bei der das Emissions- Wir haben gesehen, dass Energieformen ineinander
maximum eines Körpers auftritt, so ist diese umgekehrt umwandelbar sind. Energie kann weder vernichtet
proportional zu dessen Temperatur. Anders ausgedrückt: noch erschaffen werden. Diese fundamentale Gesetz-
Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto geringer mäßigkeit ist die Aussage des ersten Hauptsatzes der
ist die Wellenlänge im Emissionsmaximum. Thermodynamik*. Anders ausgedrückt:
12ΔU = Q + W
vereinfacht anschaulich als ein Maß für die „Unordnung“
ΔU: Änderung der inneren Energie eines Systems vorstellen kann. Ungeordnete, entropie
Q: netto zugeführte Wärmemenge reiche Zustände sind wahrscheinlicher als geordnete,
W: netto zugeführte Arbeit entropiearme Zustände. Geordnete Zustände gehen sehr
leicht in ungeordnete über, der umgekehrte Weg erfordert
Er beantwortet allerdings entscheidende Fragen noch Energie. (In der Wärmelehre sprechen wir von einer
nicht: Warum können verschiedene Energieformen voll- Entropieerhöhung bei „Energieentwertung“, d. h. wenn
3
ständig in Wärme umgewandelt werden, aber nicht die Menge an nicht weiter nutzbarer Energie ansteigt.)
umgekehrt? Oder warum beobachtet man zum Beispiel Ein Beispiel für eine solche endotherme Reaktion ist die
niemals, dass aus Kohlendioxid und Wasserdampf aus Auflösung einer Brausetablette in Wasser. Brausetabletten
der Luft spontan unter Energieaufnahme aus der Umge- und auch Brausepulver enthalten üblicherweise ein
bung Methan und Sauerstoff entstehen? Carbonat und eine organische Säure. Beispielhaft soll
Um diese und ähnliche Fragen zu beantworten, wollen die Reaktion zwischen Natriumhydrogencarbonat und
wir im Folgenden einige beispielhafte Reaktionen etwas Citronensäure betrachtet werden:
genauer betrachten und dabei eine zur Beantwortung
3 NaHCO3 + HOC(COOH)(CH2COOH)2
benötigte neue Größe einführen:
HOC(COONa)(CH2COONa)2 + 3 H2O + 3 CO2
Verbrennt man ein Mol Methan (Hauptbestandteil des
Erdgases), so geschieht das gemäß folgender Reaktions- Die Lösung kühlt sich dabei ab, dem Wasser wird Wärme
gleichung: entzogen. Gleichzeitig erhöht sich die Entropie S des
Systems.
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Anders ausgedrückt: Es läuft ein Vorgang ab, bei dem das
Erfolgt die Verbrennung bei konstantem Volumen, so ist System in einen Zustand höherer Realisierungswahrschein-
die frei werdende Wärmemenge (man spricht auch von lichkeit (frei bewegliche Gasteilchen im Vergleich zu zuvor
Wärmetönung) gleich der Abnahme der inneren Energie am Ort gebundenen Teilchen in der Brausetablette) über-
des Systems; in unserem Beispiel beträgt diese Abnahme geht. Der umgekehrte Vorgang, nämlich dass Kohlen-
890,4 kJ · mol−1. Bei dieser Reaktion wird Wärme an die dioxid aus der Umgebung spontan in eine Natriumcitrat-
Umgebung abgegeben, sie ist also exotherm. Sehr oft lösung unter Bildung von Natriumhydrogencarbonat und
erfolgen chemische Reaktionen aber bei konstantem Citronensäure einströmt, wird nie beobachtet.
Druck, sodass mit der Umsetzung der Reaktionspartner Die Änderung der Enthalpie erlaubt eine Aussage darüber,
meist eine Ausdehnung oder Kontraktion des Systems ob eine Reaktion exotherm oder endotherm ist. Die
verbunden ist. Um diese zu berücksichtigen, benötigen Enthalpie lässt sich mit der Entropie zu einer neuen
wir eine neue Größe, die als Enthalpie bezeichnet wird. Größe, der freien Enthalpie, zusammenfassen. Die Ände-
Ihre Änderung entspricht der Summe der Änderungen rung dieser Größe wird in der Gibbs-Helmholtz-Gleichung
der inneren Energie und der zur Expansion oder dargestellt:
Kontraktion aufgewendeten Volumenarbeit:
ΔG = ΔH – T · ΔS bzw. ΔG0 = ΔH0 – T · ΔS0
ΔH = ΔU + P · ΔV
Der Index „0“ bedeutet, dass man die Werte unter
Manchmal macht man die Beobachtung, dass Reaktionen Standardbedingungen, also 1.013 hPa und 25 °C
ablaufen, die ihrer Umgebung Wärme entziehen, also betrachtet. Ausgehend von dieser Gleichung
endotherm sind. Die Betrachtung der Enthalpieänderung kann man chemische Reaktionen
alleine reicht also noch nicht aus, um zu einer Aussage systematisieren:
darüber zu gelangen, ob eine Reaktion möglich ist oder
nicht. Wir benötigen eine weitere Größe, die als Entropie
(Formelzeichen S) bezeichnet wird und die man sich
13TABELLE 3–2
Reaktionsbegünstigende Bedingungen
Enthalpie des (Reaktions-)Systems Entropie des (Reaktions-)Systems Reaktion läuft spontan ab
Nimmt ab (exotherm) (ΔH < 0) nimmt zu (ΔS > 0) ja (ΔG < 0)
Nimmt ab (exotherm) (ΔH < 0) nimmt ab (ΔS < 0) wenn T · ΔS > ΔH
Nimmt zu (endotherm) (ΔH > 0) nimmt zu (ΔS > 0) wenn T · ΔS > ΔH
Nimmt zu (endotherm) (ΔH > 0) nimmt ab (ΔS < 0) nein (ΔG > 0)
ABBILDUNG 3–2
Schematischer Ablauf ein- und mehrstufiger chemischer Reaktionen
E E E 1
2
Edukte Produkte
Edukte Zwischenstand
∆GR < 0 ∆GR > 0 Produkte
Produkte Edukte ∆GR
Elementarreaktion 1 Elementarreaktion 2
RKt RKt RKt
Bei den hier geschilderten Fällen handelt es sich um die Maschine ist die Turbine eines Kraftwerks. Sie entzieht
Entropieänderung in einem System. Dazu muss bemerkt einem Wärmereservoir mit hoher Temperatur (heißer
werden, dass eine Entropieabnahme in einem System Dampf aus dem Kessel) Wärme und gibt sie an ein
mit einer mindestens ebenso großen Entropiezunahme Reservoir mit niedrigerer Temperatur (Kühlwasser) ab.
der Umgebung einhergeht. Dabei tritt auf der „Hochtemperaturseite“ eine Abnahme
Dieser zentrale Sachverhalt wird in der folgenden Formu- der Entropie ein gemäß
lierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zum
ΔSh = − Qh/Th
Ausdruck gebracht:
während auf der „Niedrigtemperaturseite“ eine Zunahme
Eine spontane Änderung ist immer mit einer Zunahme der Entropie stattfindet:
der Gesamtentropie des Weltalls verbunden.
ΔSn = + Qn/Tn
Der zweite Hauptsatz liefert auch die Begründung dafür, Da die Entropieänderung insgesamt positiv sein muss, gilt:
warum Wärme nicht vollständig in mechanische Arbeit
− Qh/Th + Qn/Tn > 0 oder umgestellt Qn > QhTn/ Th
umgewandelt werden kann, denn dies würde zu einer
Abnahme der Gesamtentropie des Weltalls führen. Die Es wird der Anteil in nutzbare Arbeit umgewandelt, der
Betrachtung der Entropie ist sehr nützlich, um den Anteil nicht wieder als Wärme abgegeben wird. Diesen
der Wärmeenergie, der in Wärme-Kraft-Maschinen in Wirkungsgrad kann man schreiben als:
Bewegungsenergie umgewandelt wird, zu ermitteln.
η = (Qh − Qn ) / Qh
Ein bekanntes Beispiel für eine solche Wärme-Kraft-
14Durch Einsetzen des obigen Terms für Qn lässt sich Qh ziellen Solarthermieanlage) durch Zufuhr von thermi-
eliminieren und man gelangt zu: scher Energie in Dampf mit hohem Druck und hoher
Temperatur umgewandelt. Dieser Dampf treibt die Turbi-
η = 1 − (Tn/Th )
ne an (wobei Dampfturbinen oft mehrstufig, angepasst
Der so erhaltene Carnot-Wirkungsgrad gibt den theore- an die auftretenden Drücke, ausgelegt sind). Der abge-
tisch maximal erreichbaren Umwandlungsgrad von kühlte Dampf wird nun wieder verflüssigt (die dabei an-
Wärme in nutzbare Arbeit an. Für ein modernes Dampf- fallende „Abwärme“ wurde in der Vergangenheit häufig
3
kraftwerk mit einer Frischdampftemperatur von 600 °C bspw. an einen Fluss abgegeben — heute ist man be-
(Th= 873 K) und einer Kondensatortemperatur von 18 °C müht, diese thermische Energie sinnvoll zu nutzen, bspw.
(Tn= 291 K) ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von zu Heizzwecken). Das nun wieder flüssige Wasser wird
0,67. In der Praxis werden aufgrund unterschiedlichster dem Verdampfer zugeführt und der Kreis ist geschlos-
Faktoren geringere Werte erzielt. Die Umwandlung von sen. Zur exakten Beschreibung solcher sogenannter Kreis-
Wärme in Bewegungsenergie kann man sich anhand prozesse existieren zahlreiche theoretische Modelle, de-
des Beispiels der Dampfturbine verdeutlichen: Wasser ren zentrales Modell der Carnot’sche Kreisprozess* ist,
wird in einem Verdampfer (bspw. in einem kohlebe aus dem sich der oben dargestellte Carnot-Wirkungsgrad
feuerten Kessel, einem Kernreaktor oder in einer spe ergibt.
ABBILDUNG 3–3
Carnot’scher Kreisprozess
Isolation
Gas Isotherme
Wärmereservoir Expansion
mit Th | Qh |
1 2
P 1
Qh
Isolation Adiabatische Isolation
Adiabatische
Adiabate
Kompression Expansion
Isotherme
2
Gas Gas
4
3
4 1 Qn 2 3
V
Isolation
Wärmereservoir Gas Isotherme
mit Tn | Qn | Kompression
3 4
Modifiziert nach: Paul A. Tipler, Gene Mosca, „Physik für Wissenschaftler und Ingenieure“,
2. Auflage (2007), Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, S. 596
15A Basis
4 Chemie und Energie
Energiereiche Stoffumwandlungen ren und außerdem eine desinfizierende Wirkung besitzen.
Im Zuge der Bemühungen, den Anteil erneuerbarer
Aus dem Schulunterricht kennen wir die Reaktion von Energien an unserer Energieversorgung zu steigern,
metallischem Natrium mit Wasser zu Wasserstoff und gewinnt die Nutzung von Biomasse als Energieträger
Natriumhydroxid. Bei dieser Reaktion wird Wärmeenergie zunehmend an Bedeutung. Um aus Biomasse nieder-
freigesetzt, es handelt sich also um eine exotherme Reak- molekulare Verbindungen zu gewinnen, unterzieht man
tion. Im Alltag begegnen uns zahlreiche weitere Beispiele sie der Pyrolyse*, also einer thermischen Spaltung: In einer
für exotherme Umsetzungen. So zählen alle Verbren- endothermen Reaktion werden große Moleküle wie
nungsvorgänge dazu, beispielsweise die Verbrennung Cellulose in ein komplexes Gemisch kleinerer Moleküle
von Haushaltsabfällen in einem Müllheizkraftwerk. gespalten, die teilweise als Energieträger genutzt wer-
Findet eine Reaktion hingegen unter Wärmeaufnahme den können.
aus der Umgebung statt, so spricht man von einer endo-
thermen Reaktion. Viele Reaktionen benötigen darüber
hinaus einen Katalysator, also einen Stoff, der die Reaktion METHODISCHE ANMERKUNG
überhaupt erst ermöglicht oder zumindest beschleunigt,
und zwar ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Bei- Modellversuch zum Autokatalysator (CH–EX1)
spielsweise ermöglichen erst die Platinmetalle im Abgas- Der Modellversuch zum Autokatalysator macht die
katalysator eines Autos die Reaktion von Kohlenstoffmono- Eigenschaften eines Katalysators beobachtbar: Er liegt
xid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlen- nach der Reaktion unverändert vor — am Platindraht
stoffdioxid und Wasser sowie die Reaktion von Kohlen- direkt sichtbar — und ist in der Lage, die Aktivierungs-
stoffmonoxid und Stickstoffmonoxid zu Stickstoff und energie einer Reaktion beträchtlich herabzusetzen. Im
Kohlenstoffdioxid. Diese Reaktionen sind zwar exotherm, hier gewählten Beispiel entzündet sich das Feuerzeug-
würden aber unter den im Abgas herrschenden Bedin- gas ohne einen Zündfunken. Im Vergleich zum Auto-
gungen ohne Katalysator nicht stattfinden. Eine andere katalysator kann man auf die Ähnlichkeit des Katalysator-
Form der Katalyse findet sich bei selbstreinigenden Farben Materials hinweisen, aber auch erwähnen, dass dort
auf Basis von nanostrukturiertem* Titanoxid: Diese nut- nicht ausschließlich die Verbrennung von Kohlenwasser-
zen die Energie des Sonnenlichtes, um aus Wasser und stoffen stattfindet, sondern auch die von Kohlenstoff-
Luftsauerstoff in einer endothermen Reaktion Radikale monoxid und die Reduktion von Stickstoffoxiden.
zu bilden, die Schmutz (organische Substanzen) zerstö-
ABBILDUNG 4–1
Exotherme Reaktionen in Schule und Alltag
Reaktion von metallischem Natrium mit Wasser Verbrennung von Haushaltsabfällen in einem
zu Wasserstoff und Natriumhydroxid Müllheizkraftwerk
16B Mittelstufe
sonderen Eigenschaften von Metallen sind im wahrsten
Energie mit Elektrochemie
Sinne des Wortes augenfällig: Ihre Undurchsichtigkeit
und auch ihr metallischer Glanz sind ebenso wie ihre
Ein Teilgebiet der Chemie, das für den Energiebereich
elektrische Leitfähigkeit Folge der leichten Beweglich-
eine große Rolle spielt, ist die Elektrochemie. Von ihr
keit ihrer Elektronen. Diese kann in der Modellvorstel-
spricht man, wenn im Zusammenhang mit einer chemi-
lung des Elektronengases veranschaulicht werden: Die
schen Reaktion ein elektrischer Strom fließt.
äußeren Elektronen der Metallatome sind nicht an die
Der Begriff „elektrischer Strom“ bezeichnet hier nicht
„Atomrümpfe“ gebunden, sondern zwischen ihnen frei
nur den Elektronenfluss, zum Beispiel in einem Metall-
beweglich.
draht, sondern auch den Transport von anderen Ladungs-
trägern, also positiv oder negativ geladenen Ionen in
Lösungen oder Salzschmelzen. Voraussetzung dafür ist Ein zentraler Vorgang in der Elektrochemie ist die Re-
das Vorhandensein von Ladungsträgern, was sich wie- doxreaktion: Dabei ist eine Reaktion, die unter Aufnahme
derum auf die Leitfähigkeit, beispielsweise einer Salz- von Elektronen stattfindet (Reduktion), an eine Reaktion
4
lösung, auswirkt. Diese Leitfähigkeit σ wird in Siemens unter Abgabe von Elektronen (Oxidation) gekoppelt.
pro Meter (S · m−1 bzw. Ω−1 · m−1) angegeben und hat je Das Prinzip, den bei Redoxreaktionen auftretenden
nach Substanz sehr unterschiedliche Werte. Elektronenfluss zwischen den beteiligten Reaktions-
partnern über einen äußeren Stromkreis zu kanalisie-
TABELLE 4–1 ren, liegt der Gewinnung und Speicherung elektrischer
Energie in einem „galvanischen Element“* zugrunde.
Leitfähigkeiten verschiedener Stoffe
Dazu werden die Oxidationsreaktion (im sog. Anoden-
raum) und die Reduktionsreaktion (im sog. Kathoden-
Stoff Leitfähigkeit in S · m−1 raum) räumlich getrennt. Redoxreaktionen können frei-
n-Hexan 1 · 10−10
willig ablaufen und dabei Strom liefern oder aber um-
Reines Wasser 5,5 · 10−6
gekehrt durch elektrischen Strom erzwungen werden.
Seewasser 4,8
Galvanische Elemente, in denen die Redoxreaktionen
Kupfer 58 · 106
freiwillig ablaufen, die nicht durch eine äußere Span-
nung wieder umgekehrt werden können, werden als
Primärelemente (Batterien) bezeichnet; sind die Reak-
n-Hexan ist eine unpolare Substanz, die nicht in Ionen tionen durch äußere Spannung umkehrbar, spricht man
zerfällt und daher eine extrem geringe elektrische Leit- von Sekundärelementen (Akkumulatoren). Der früher
fähigkeit aufweist. Reines Wasser unterliegt einer soge- verbreitete, etwas ungenau als Zink-Kohle-Element
nannten Eigendissoziation, d. h., es zerfällt zum Teil in bezeichnete Batterietyp ist heutzutage weitgehend
negativ geladene Hydroxidionen und in positiv geladene durch die sogenannte Alkali-Mangan-Batterie verdrängt
Oxoniumionen gemäß: worden. Diese nutzt zwar auch Zink und Mangandioxid,
besitzt aber eine mehr als doppelt so hohe Energiedich-
2 H2O H3O+ + OH−
te und ist auslaufsicher. Eine wichtige Kenngröße von
Batterien und Akkumulatoren ist die Nennspannung,
Dennoch ist die Leitfähigkeit verhältnismäßig gering,
die durch das Redoxpotenzial der eingesetzten
da bei 25 °C diese beiden Ladungsträger jeweils nur in
Reaktionspartner, aber auch durch einige weitere
einer Konzentration von 10−7 mol · L−1 vorliegen. Bei
Faktoren gegeben ist.
Meerwasser ist die Leitfähigkeit sehr viel höher, da
seine Ionen-Konzentration durch die gelösten Salze etwa
1,1 mol · L−1 beträgt. Kupfer wiederum hat als metalli-
scher Leiter eine deutlich höhere Leitfähigkeit. Die be-
17ABBILDUNG 4–2
Chemische Reaktionen in Batterien und Akkumulatoren
Typ Anodenreaktion Kathodenreaktion Nennspannung
„Zink-Kohle“ Zn + 2 NH4Cl 2 MnO2 + 2 H+ + 2 e− 1,5 Volt
[Zn(NH3)2Cl2] + 2 H+ + 2 e− 2 MnO(OH)
„Alkali-Mangan“ Zn + 2 OH− MnO2 + 2 H2O + 2 e− 1,5 Volt
ZnO + H2O + 2 e− Mn(OH)2 + 2 OH–
Blei-Akku Pb + SO42− PbO2 + SO42– + 4 H+ + 2 e− 2 Volt
PbSO4 + 2 e – PbSO4 + 2 H2O
Nickel-Metall- MH + OH− NiO(OH) + H2O + e− 1,2 Volt
hydrid-Akku M + H2O + e− Ni(OH)2 + OH–
Lithium-Ionen-Akku LixCn Li1−xMn2O4 + x Li+ + x e− 3,6 Volt
Cn + x Li+ + x e− LiMn2O4
Das Aufladen eines Akkumulators, also das Erzwingen Sauerstoff frei werdende Energie direkt in elektrischen
einer Redoxreaktion durch Anlegen eines äußeren elektri- Strom umzuwandeln.
schen Stroms, ist ein Sonderfall des grundlegenden Ver-
fahrens der Elektrolyse. Damit eine Elektrolyse stattfinden Wie bei allen Energiewandlungsprozessen treten auch
kann, muss eine elektrische Spannung angelegt werden, bei der Elektrolyse und ihrer Umkehrung Verluste auf,
die mindestens der Zersetzungsspannung des zu elektro- sodass man einem Akkumulator nie die gleiche Strom-
lysierenden Stoffes entspricht. Diese ist einerseits gegeben menge entnehmen kann, die man zuvor hineingesteckt
durch die elektrochemische Spannungsreihe, andererseits hat: Der Akku erwärmt sich sowohl beim Laden als auch
wird sie durch weitere Faktoren wie pH-Wert, Temperatur beim Entladen.
oder Beschaffenheit der Elektrodenoberfläche beeinflusst.
Bei einem Blei-Akkumulator kann man die Reaktionsglei- Mit der Messung von Wärmemengen, die bei chemischen
chungen an Anode und Kathode zusammenfassen zu: Reaktionen, aber auch bei biologischen und physikali-
schen Vorgängen umgesetzt werden, beschäftigt sich
2 PbSO4 + 2 H2O Pb + PbO2 + 2 H2SO4
die Kalorimetrie. Sie erlaubt Aussagen darüber, ob Vor-
Hierbei stellt die „Hinreaktion“, also das Laden des Akku- gänge exotherm oder endotherm sind. Eine Vorrichtung
mulators, eine Elektrolyse dar. Unter Zufuhr elektrischer für solche Messungen wird als Kalorimeter bezeichnet.
Energie werden Pb2+-Ionen in elementares Blei und in Im einfachsten Fall besteht es aus einem Polystyrol-
Pb4+-Ionen überführt. Beim Entladen werden daraus Becher oder einem entsprechend wärmeisolierten
wieder Pb2+-Ionen – zugleich wird elektrische Energie frei. Becherglas mit einem lose aufgesetzten Deckel (um
Eines der bekanntesten Beispiele für eine Elektrolyse Druckausgleich zu ermöglichen) und einem Thermo-
ist die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauer- meter. Gibt man nun Ausgangssubstanzen einer
stoff. Sie spielt bei der Energiegewinnung eine zuneh- chemischen Reaktion oder zu mischende Flüssigkeiten
mende Rolle, da die umgekehrte Reaktion in einer ge- in diese einfache Vorrichtung, kann die damit einher-
eigneten Anordnung, der Brennstoffzelle, genutzt wer- gehende Temperaturänderung gemessen werden.
den kann, um die bei der Reaktion von Wasserstoff mit
18ABBILDUNG 4–3
Aufbau einer Elektrolysezelle
Am Beispiel Elektrolyse einer
Allgemeines Prinzip
Zinkiodid-Lösung
Amperemeter
A
- + Amperemeter
A
- +
Voltmeter Voltmeter
Znl2-Lösung
−
Graphit-Kathode
l- e
Graphit-Anode
e− e− 2 e− l2 e−
Kationen (+)
l-
Anionen (−)
Zn2+
Kathode
−
Anode
e− e− 2 e−
2 Zn l- e
Zn2+ l2 −
-l e
4
ng
A bs
i
du
sc he e id
ch
Ab ung
ABBILDUNG 4–4
Aufbau eines einfachen Kalorimeters
Thermometer
Rührer
Erlenmeyerkolben
100 mL Wasser
Konservendose
Löcher zur Luftzirkulation
Spiritusbrenner
METHODISCHE ANMERKUNG onstypen lässt sich auch im oben geschilderten einfachen
Aufbau bestimmen. In ähnlicher Weise kann etwa auch
Kalorimeter und Wärmekapazität (CH–EX2) die Neutralisationsenthalpie der Reaktion
Beim Eigenbau eines Kalorimeters, ggf. als Wettbewerb
KOH + HCl KCl + H2O
von Schülergruppen, kann man Alltagserfahrungen zu
besonders gut isolierenden Materialien aktivieren und gemessen werden. Hierzu werden je 50 mL einer Kalium-
verschiedene Materialien und Bauweisen auf ihre spezi- hydroxidlösung (c = 1 mol · L−1) und 50 mL einer Salz-
fischen Vor- und Nachteile hin untersuchen. säurelösung (c = 1 mol · L−1) zusammengegeben. Zuvor
wurde das Kalorimeter beispielsweise durch Erwär-
Verbrennungsreaktionen sind ein Beispiel für Redoxreak- mung von 100 mL einer Kaliumchloridlösung mit einer
tionen. Die Enthalpieänderung bei bestimmten Reakti- definierten Wärmemenge kalibriert.
19Exakte Messungen ergeben für diese Reaktion den Wert HINWEIS
von 57 kJ · mol–1, und zwar bei unterschiedlichen Säuren
und Basen, da es sich um die Reaktionsenthalpie der Unter Standardbildungsenthalpie versteht man die
folgenden Reaktion handelt: Energie, die bei der Bildung eines Mols einer Substanz aus
OH– + H3O+ 2 H2O den Elementen aufgenommen oder abgegeben wird.
Für Elemente ist sie definitionsgemäß gleich null.
Auch Enthalpieänderungen, die bei rein physikalischen
Vorgängen wie dem Mischen zweier Flüssigkeiten ohne
Auftreten einer chemischen Reaktion stattfinden, können statt, diese läuft jedoch über zahlreiche Zwischenstufen.
mit einem solchen einfachen Kalorimeteraufbau bestimmt Die Reaktionsenthalpie der einzelnen beteiligten Reaktio-
werden. So tritt beim Vermischen gleicher Stoffmengen nen ist jeweils deutlich kleiner, insgesamt wird allerdings
Glycerin und Wasser eine negative Enthalpieänderung der oben genannte Wert von − 2.808,04 kJ · mol−1 erreicht.
auf, d. h., der Vorgang ist exotherm. Dies ist ein Beispiel für den 1840 von Germain Henri Hess
formulierten und nach ihm benannten „Satz von Hess“:
Die Enthalpieänderung einer Gesamtreaktion ent-
C Oberstufe spricht der Summe der Enthalpieänderungen der
zugrunde liegenden Einzelreaktionen.
Energieumsatz bei Verbrennungsvorgängen Dabei ist es unerheblich, in welche Einzelreaktionen die
Gesamtreaktion zerlegt werden kann. Wäre dies nicht so,
Die Spannbreite der bei chemischen Reaktionen umge- könnte man hypothetisch durch Durchlaufen verschie-
setzten Energiemengen ist sehr groß. Die Neutralisations- dener Einzelreaktionen netto Energie „erzeugen“ — ein
reaktion OH− + H3O+ 2 H2O setzt mit 57 kJ · mol−1 solches Perpetuum mobile* steht aber im Widerspruch
verhältnismäßig wenig Wärme frei. Die Oxidation von zu den Naturgesetzen, insbesondere zum ersten Haupt-
Glucose zu Wasser und Kohlenstoffdioxid hingegen liefert satz der Thermodynamik.
sehr viel mehr Energie, sie ist stark exotherm. Die Frage,
wie stark exotherm oder endotherm eine Reaktion ist, So wie die Oxidation von Glucose in unseren Körperzellen
lässt sich entscheiden, wenn man die molaren Standard- die wesentliche Energiequelle darstellt, so spielt die Oxi-
bildungsenthalpien der Edukte von denen der Produkte dation energiereicher Kohlenwasserstoffe noch immer die
abzieht (H0b für O2 = 0 kJ · mol−1). Bei Verbrennungspro- überragende Rolle bei der Energiegewinnung für indus-
zessen spricht man dann von der Standardverbrennungs- trielle Prozesse, Wärmegewinnung und insbesondere
enthalpie ΔH0c (c von engl. „combustion“ = Verbrennung). im Bereich der Mobilität. Die Enthalpieänderung bei der
Verbrennung von iso-Octan, einem typischen Inhaltsstoff
C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2
des Otto-Kraftstoffs, errechnet sich — entsprechend den
obigen Ausführungen — aus den Standardbildungsenthal-
ΔH0c = [6 mol · (−285,83 kJ · mol–1) + 6 mol ·
pien der Reaktanden. Die Gleichung der vollständigen
(−393,51 kJ · mol−1)] − [1 mol (−1.268 kJ · mol−1) +
Verbrennung lautet:
6 mol · 0 kJ · mol−1] = − 2.808,04 kJ · mol−1
2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O
Anders ausgedrückt: Mit der bei der vollständigen Oxida-
tion von einem Gramm Glucose (MGlucose = 180,16 g · mol–1) Damit ergibt sich für diese Reaktion:
gebildeten Wärme ließe sich ein Kilogramm Wasser um
ΔH0c = 18 mol · (−285,83 kJ · mol−1) + 16 mol ·
3,73 °C erwärmen.
(−393,51 kJ · mol−1) − [2 mol · (− 259,3 kJ · mol−1) +
Im menschlichen Körper findet in der Summe zwar auch
25 mol (0 kJ · mol–1)] = − 10.922,5 kJ
eine Oxidation von Glucose zu Kohlenstoffdioxid und Wasser
20METHODISCHE ANMERKUNG Ähnliche Betrachtungen zum Thema „Energiegehalt“ wie
für Verbrennungsvorgänge lassen sich für galvanische Ele-
Satz von Hess mente, zum Beispiel Blei-Akkumulatoren, anstellen. Um die
Bestimmung der Reaktionsenthalpie (CH–EX3) von einem Akku gelieferte nutzbare Energie möglichst
Im Experiment wird der Satz von Hess durch eigene exakt zu erfassen, betrachten wir im Folgenden die freie
Messungen nachgeprüft. Denkbar ist, Schüler nach Reaktionsenthalpie ΔG, die wir im vorherigen Abschnitt
anderen geeigneten Reaktionsfolgen zu befragen. kennengelernt haben: Der Zusammenhang zwischen der
Spannung einer galvanischen Zelle, also dem Potenzialunter-
schied zwischen dem Redoxpaar an der Anode und der Katho-
Zerlegt man diese Reaktion in zwei mögliche Teilreaktionen de, und ΔG ist durch die folgende Formel gegeben:
und summiert die mit ihnen einhergehenden Enthalpie-
ΔG = −n F E
änderungen
n: Stoffmenge der umgesetzten Elektronen
2 C8H18 + 17 O2 16 CO + 18 H2O | − 6.394,8 kJ 4
F: Faradaykonstante 96,485 kC · mol–1
und E: elektrisches Potenzial in Volt
Bleiben wir beim Beispiel des Blei-Akkumulators.
16 CO + 8 O2 16 CO2 | − 4.527,7 kJ
Die Gesamtgleichung des Entladevorgangs lautet:
so gelangt man – entsprechend dem Satz von Hess –
Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O
wieder zu dem Wert von −10.922,5 kJ.
mit E0= 2,04 Volt oder 2,04 kJ · kC–1
Da in obiger Gleichung 2 mol iso-Octan auftauchen, ist die
molare Verbrennungsenthalpie entsprechend 5.461,25 kJ · Setzt man dies in die obige Gleichung ein (wobei man be-
mol−1. Auf die Masse bezogen heißt das: Bei der Ver- achten muss, dass 2 mol Elektronen fließen), so erhält man
brennung von einem Gramm iso-Octan werden die Änderung der freien Enthalpie in obiger Gleichung zu:
47,81 kJ frei, während die Verbrennung von einem
ΔG= −2 mol · 96,485 kC · mol−1 · 2,04 kJ · kC−1 = −393,66 kJ
Gramm Glucose 15,59 kJ liefert.
Daraus wird deutlich, warum Kohlenwasserstoffe eine Berechnet man davon und von den molaren Massen von
überragende Rolle als Energieträger spielen: Ihre Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure ausgehend die Energie-
Enegiedichte ist im Vergleich zu anderen Stoffen sehr dichte dieses Systems, so erhält man einen Wert von
hoch. 0,613 kJ · g−1. Dies ist allerdings ein theoretischer Wert,
da natürlich keine konzentrierte Schwefelsäure zum Einsatz
TABELLE 4–3
kommt und auch Komponenten wie Akkumulatorgehäuse
Energiegehalt verschiedener Energieträger etc. berücksichtigt werden müssen, sodass in der Praxis
eher Werte von 0,11 kJ · g−1 erreicht werden. Das ist eine
Energieträger Energiegehalt (kJ · g−1) etwa um den Faktor 435 geringere Energiedichte als die
Wasserstoff (Verbrennung) 143 des iso-Octans. Hieran erkennt man eine der besonderen
Wasserstoff (Tritium-/ Herausforderungen auf dem Weg hin zur Elektromobilität:
Deuterium-Gemisch, die Entwicklung von elektrochemischen Speichern mit
Kernfusion) 3,6 · 108 hoher Energiedichte. Natürlich ist der Energiespeicher
Uran-235 (Kernspaltung) 8,2 · 107 alleine nicht ausschlaggebend für die Energieeffizienz
Dieselkraftstoff 45,4 eines Antriebssystems. Vergleicht man den Wirkungsgrad
Ethanol 29,7 eines Elektromotors mit dem eines Verbrennungsmotors,
Trockenes Holz 19 so schneidet ersterer deutlich besser ab: Der Wirkungsgrad
kann bei bis zu 99 Prozent liegen, bei Verbrennungs
motoren liegt er im Bereich von 25 bis 35 Prozent.
21A Basis
5 Beleuchtung
Lampen gestern und heute besonders ineffizienten Lampen sowie auch ein großer
Teil der Halogenlampen vom Markt.
Bereits 1881 von Thomas Alva Edison in den USA zum Trotzdem müssen wir nicht im Dunkeln sitzen: In den
Patent angemeldet, gehörte die klassische Glühlampe meisten Haushalten hat man inzwischen auf Leucht
mehr als 130 Jahre zu unserem Alltag. In Edisons dioden (LEDs) umgestellt. Die kleinen, sehr hellen und
Patent bestand der Glühfaden noch aus einem verkohl- verbrauchsarmen LEDs gibt es für die Raumbeleuch-
ten Baumwollfaden, später wurde stattdessen Wolfram tung zum Beispiel als Strahlerbündel zu kaufen.
verwendet.
Um unsere Umwelt und das Klima zu schützen, müssen
wir verantwortungsvoller und sparsamer mit Energie um-
gehen als bisher. Daher steht die herkömmliche Glühlam- METHODISCHE ANMERKUNG
pe heute in einem vergleichsweise schlechten Licht da,
denn: In ihr werden nur maximal fünf Prozent des aufgewen- Vergleich der Beleuchtungsstärke einer Glüh-
deten elektrischen Stroms in sichtbares Licht umgewandelt. lampe und einer Energiesparlampe (PHY–EX4)
Der Rest geht als Wärme verloren. Nach einem Beschluss Siehe Versuchsvorschrift.
der Europäischen Union von 2008 verschwanden diese
ABBILDUNG 5–1
Verschiedene Leuchtmittel
HINWEIS
Das richtige Licht ist wichtig für unser Wohlbefinden. Auch in der Schule und am Arbeitsplatz muss das Licht
Scheint im Winter lange nicht die Sonne, fühlen sich stimmen. Der Gesetzgeber hat strenge Vorschriften
manche Menschen bedrückt oder sogar depressiv. erlassen, damit dort die Lampen die richtige Anbringung,
Helligkeit und Farbe haben.
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