Woran erkennst du eine chemische Reaktion, und warum brauchen manche Reaktionen einen Startimpuls? Verknüpfe Stoffumwandlung, Teilchenmodell und Energieprofile Schritt für Schritt.
chemischUnsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck
Was kannst du schon?
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Lösungen mit Erklärungen
Produkte – Produkte stehen als entstehende Stoffe auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung.
Die Stoffart H₂O – Flüssiges Wasser besteht weiterhin aus Wassermolekülen. Die Anordnung und Beweglichkeit verändern sich.
Alle beteiligten Stoffe einschließlich Gase – Auch unsichtbare oder entweichende Gase tragen Masse.
Bei einer chemischen Reaktion werden Ausgangsstoffe in andere Stoffe umgewandelt. Die Ausgangsstoffe heißen Edukte, die entstehenden Stoffe Produkte. Die Produkte besitzen eigene charakteristische Eigenschaften. Rost ist beispielsweise nicht bloß anders geformtes Eisen.
Im Teilchenmodell werden Atome neu miteinander verknüpft. Bindungen und Wechselwirkungen verändern sich; bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen bleiben die Atomkerne und damit die Elementarten erhalten. Aus einem Sauerstoffatom wird nicht plötzlich ein Kohlenstoffatom.
Eine physikalische Veränderung muss dagegen keine neue chemische Stoffart erzeugen. Beim Schmelzen wird aus Eis flüssiges Wasser; beide bestehen aus H₂O. Beim Verdampfen werden Wassermoleküle voneinander getrennt, nicht in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Eis schmilzt
H2O (s) → H2O (l)
Physikalische Veränderung: Der Zustand ändert sich. Die Wassermoleküle bleiben erhalten.
Magnesium reagiert
2 Mg + O2 → 2 MgO
Chemische Reaktion: Aus Magnesium und Sauerstoff entsteht Magnesiumoxid mit anderen Eigenschaften.
Was bleibt erhalten?
Links: 2 Mg-Atome und 2 O-Atome.
Rechts: dieselben Atomsorten in derselben Anzahl, jetzt im Magnesiumoxid. MgO beschreibt das Verhältnis 1 : 1 im Ionengitter.
(s) bedeutet fest, (l) flüssig. Die Formeln beschreiben die Stoffe und ihre Bilanz.
Chemische Reaktion erkennen: Beobachtung und Erklärung
Farbänderung, Gasentwicklung, ein neuer Feststoff, Licht oder eine Temperaturänderung können auf eine Reaktion hinweisen. Beschreibe zuerst, was du tatsächlich beobachtest, und begründe anschließend die Deutung.
Ein einzelnes Zeichen ist kein sicherer Beweis: Blasen entstehen auch beim Sieden, obwohl keine neue Stoffart entsteht. Eine Temperaturänderung kann ebenso beim Lösen oder bei einem Zustandswechsel auftreten. Entscheidend ist die begründete Feststellung einer Stoffumwandlung.
Bei einer Verbrennung entstehen andere Stoffe als beim bloßen Erwärmen. Magnesium kann mit Sauerstoff zu Magnesiumoxid reagieren. Die Stoffgleichung nennt Edukte und Produkt; die ausgeglichene Formelgleichung lautet:
2 Mg + O2 → 2 MgO
Die Gleichung beschreibt die Stoffbilanz. Sie ist keine Anleitung, selbst Magnesium zu verbrennen. Im Unterricht werden solche Reaktionen nur mit geeigneter Ausstattung und Anleitung untersucht.
Energieprofile vergleichen: exotherm, endotherm und Katalysator
So liest du das Diagramm: Links stehen die Edukte, rechts die Produkte. Vergleiche zuerst ihre Höhen: Liegen die Produkte tiefer, wird insgesamt Wärme abgegeben. Die Höhe des Gipfels über den Edukten zeigt dagegen die Aktivierungsbarriere.
Produkte liegen tiefer als Edukte: Das Reaktionssystem gibt insgesamt Wärme ab. Auch hier muss zunächst eine Aktivierungsbarriere überwunden werden. Die Höhe des Maximums über den Edukten veranschaulicht diese Barriere.
Exotherm und endotherm aus Sicht des Systems
1. System festlegen: Betrachte die reagierenden Stoffe als System. Gefäß, Luft und Thermometer gehören zur Umgebung. Ohne diese Unterscheidung bleibt unklar, wer Wärme abgibt oder aufnimmt.
2. Exotherm: Das System gibt insgesamt Wärme an die Umgebung ab. Die Umgebung kann sich dadurch erwärmen. Die Produkte liegen im Enthalpieprofil tiefer als die Edukte. Für die Reaktionsenthalpie gilt ΔH < 0. Eine Verbrennung ist ein typisches Beispiel.
3. Endotherm: Das System nimmt insgesamt Wärme aus der Umgebung auf. Die Produkte liegen höher als die Edukte; ΔH > 0. Die thermische Zersetzung von Calciumcarbonat zu Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid benötigt Wärmezufuhr.
Vertiefung: Wann entspricht ΔH der ausgetauschten Wärme?
Bei konstantem Druck entspricht die ausgetauschte Wärme der Enthalpieänderung, wenn nur Volumenarbeit berücksichtigt wird. Die gemessene Temperaturänderung hängt außerdem von Stoffmenge, Wärmekapazität und Wärmeaustausch mit der Umgebung ab.
Bindungen lösen kostet Energie
Beim Lösen chemischer Bindungen muss Energie aufgebracht werden. Wenn Bindungen entstehen, wird Energie frei. Für die Gesamtbilanz vergleichst du beide Beiträge. Wird bei der Bildung der Produktbindungen mehr Energie frei, als zum Lösen der Ausgangsbindungen benötigt wurde, ist die Gesamtreaktion in diesem vereinfachten Bild exotherm.
Ein reines Rechenmodell: Zum Lösen werden 500 kJ benötigt, bei der Bildung werden 700 kJ frei. Die Bilanz des Systems beträgt 500 kJ − 700 kJ = −200 kJ. Insgesamt werden 200 kJ abgegeben. Das sind erfundene Vergleichswerte, keine gemessenen Daten einer bestimmten Reaktion.
Umgekehrt ergibt 700 kJ − 500 kJ = +200 kJ eine Energieaufnahme. Bei realen Berechnungen müssen Stoffmengen, Aggregatzustände und weitere Wechselwirkungen berücksichtigt werden. „Beim Brechen einer Bindung wird die gespeicherte Energie frei“ wäre als allgemeine Aussage falsch.
Beispielbilanz mit frei gewählten Modellwerten
Energieschritt
Beitrag zum System
Bindungen lösen
+500 kJ · Energie aufnehmen
Bindungen bilden
−700 kJ · Energie abgeben
Gesamtbilanz
−200 kJ · insgesamt exotherm
Aktivierungsenergie: Warum eine Reaktion einen Startimpuls braucht
Eine energetisch tiefer liegende Produktseite bedeutet nicht, dass die Reaktion ohne Hindernis abläuft. Zunächst kann eine Aktivierungsbarriere überwunden werden müssen. Ein Startimpuls wie Erwärmen oder ein Funke kann dafür sorgen, dass genügend Teilchen den Reaktionsweg durchlaufen.
Im Profil entspricht der Höhenunterschied zwischen Edukten und Kurvenmaximum der schematischen Aktivierungsbarriere. Der Unterschied zwischen Edukten und Produkten ist dagegen die Reaktionsenthalpie. Es sind zwei verschiedene Größen.
Die waagerechte Reaktionskoordinate zeigt den Fortschritt entlang eines Reaktionswegs, keine verstrichene Zeit. Aus der gezeichneten Kurvenbreite kannst du daher keine Reaktionsdauer ablesen. Reale Reaktionswege können mehrere Zwischenschritte und Maxima besitzen.
Katalysatoren senken die Aktivierungsbarriere
Ein Katalysator ermöglicht einen anderen Reaktionsweg mit niedrigerer Aktivierungsbarriere. Dadurch kann eine Reaktion unter denselben Bedingungen schneller ablaufen. Im Vergleichsbild sinkt das Maximum, während die Energiehöhen der Edukte und Produkte unverändert bleiben.
Der Katalysator macht eine endotherme Reaktion nicht exotherm und verändert die Reaktionsenthalpie nicht. Er wird im Reaktionsablauf beteiligt, aber insgesamt regeneriert. In der Praxis kann er durch Nebenprozesse seine Wirksamkeit verlieren.
Auch die Gleichgewichtslage wird durch einen Katalysator nicht verschoben. Er beschleunigt den Zugang zum Gleichgewicht. Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht behandeln wir später ausführlicher.
Die Masse bleibt in einem geschlossenen System erhalten
Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse in einem geschlossenen System im schulischen chemischen Maßstab erhalten. Atome werden neu angeordnet und nicht verbraucht oder aus dem Nichts erzeugt.
In einem offenen Gefäß kann die gemessene Masse trotzdem abnehmen, wenn ein Gas entweicht. Sie kann zunehmen, wenn ein Stoff Sauerstoff aus der Luft aufnimmt. Zähle deshalb alle beteiligten Stoffe zur Bilanz – auch unsichtbare Gase.
Selbst ausprobieren
Üben & prüfen
Mit Erklärungen üben oder dein Wissen testen – du entscheidest.
Übe in deinem Tempo
Wähle eine Stufe. Du bekommst zu jeder Antwort eine Rückmeldung und kannst nach einem Tipp erneut antworten. Wähle die passende Antwort. Begründe deine Entscheidung zunächst selbst und vergleiche sie anschließend mit der Erklärung.
Fortschritt auf diesem Gerät merken
Optional: Dein Fortschritt wird nur in diesem Browser gespeichert.
Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen
1 · Erkennen und zuordnen
1. Wie heißen die Ausgangsstoffe einer Reaktion?
Edukte
Produkte
Katalysatoren
Lösung und Erklärung
Edukte
Edukte werden umgesetzt; Produkte entstehen dabei.
2. Welche Veränderung erzeugt eine neue Stoffart?
Eis schmilzt
Wasser verdampft
Eisen rostet
Lösung und Erklärung
Eisen rostet
Rost enthält neue chemische Verbindungen. Schmelzen und Verdampfen ändern den Zustand von Wasser.
3. Was geschieht mit Atomen bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen?
Ihre Kerne werden zu anderen Elementen
Sie werden neu angeordnet
Sie verschwinden vollständig
Lösung und Erklärung
Sie werden neu angeordnet
Die Atomsorten bleiben erhalten; Bindungen und Anordnung ändern sich.
4. Wohin fließt Wärme bei einer exothermen Reaktion insgesamt?
Vom Reaktionssystem zur Umgebung
Von der Umgebung ins Reaktionssystem
Es wird grundsätzlich keine Wärme ausgetauscht
Lösung und Erklärung
Vom Reaktionssystem zur Umgebung
Exotherm beschreibt eine Wärmeabgabe des betrachteten Reaktionssystems.
5. Welches Vorzeichen hat ΔH bei einer endothermen Reaktion?
Negativ
Immer null
Positiv
Lösung und Erklärung
Positiv
Das System nimmt Wärme auf; die Produkte liegen im Enthalpieprofil höher.
6. Welcher Vorgang benötigt Energie?
Jede exotherme Gesamtreaktion netto
Eine chemische Bindung lösen
Eine chemische Bindung bilden
Lösung und Erklärung
Eine chemische Bindung lösen
Das Lösen einer Bindung kostet Energie. Bei ihrer Bildung wird Energie frei.
2 · Anwenden und erklären
1. Ein Gefäß zeigt beim Sieden Gasblasen. Was lässt sich daraus allein schließen?
Eine Gasphase entsteht, eine Reaktion ist damit nicht bewiesen
Es muss Wasserstoff entstehen
Jede Blase beweist eine neue Stoffart
Lösung und Erklärung
Eine Gasphase entsteht, eine Reaktion ist damit nicht bewiesen
Sieden kann Blasen erzeugen, obwohl Wasser chemisch Wasser bleibt.
