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Energiediagramm: exotherm oder endotherm?
Ein Energiediagramm zeigt, wie sich die Energie der beteiligten Stoffe im Verlauf einer chemischen Reaktion verändert. Liegen die Produkte tiefer als die Edukte, ist die Reaktion exotherm; liegen sie höher, ist sie endotherm. Der Anstieg bis zum Kurvenmaximum zeigt die Aktivierungsenergie.
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So liest du das Diagramm
Stell dir vor, eine Reaktionskurve beginnt links bei den Edukten, steigt zu einem Maximum und endet rechts bei den Produkten.
- Die waagerechte Achse zeigt den Reaktionsverlauf. Sie ist normalerweise keine genaue Zeitachse.
- Die senkrechte Achse zeigt die Energie der beteiligten Stoffe.
- Höher bedeutet energiereicher, tiefer bedeutet energieärmer.
- Das Kurvenmaximum steht für den energiereichen Übergangszustand.
Energieniveau
Das Energieniveau ist die Höhe, auf der Edukte oder Produkte im Diagramm liegen. Meist werden nur Höhenunterschiede verglichen, nicht absolute Energiegehalte.
In einem Diagramm liegen die Edukte bei 80 Energieeinheiten, das Maximum bei 140 und die Produkte bei 30. Du liest zunächst nur ab: Startniveau 80, höchste Stelle 140, Endniveau 30. Weil das Endniveau tiefer liegt als das Startniveau, wird insgesamt Energie an die Umgebung abgegeben.
Exotherm oder endotherm erkennen
Bei einer exothermen Reaktion gibt das Reaktionssystem Energie an die Umgebung ab. Deshalb gilt im Diagramm:
$$E_{Edukte} > E_{Produkte}$$
Bei einer endothermen Reaktion nimmt das Reaktionssystem insgesamt Energie aus der Umgebung auf. Deshalb gilt:
$$E_{Produkte} > E_{Edukte}$$
Vergleiche zuerst nur Start und Ende: Produkte tiefer bedeutet exotherm, Produkte höher bedeutet endotherm. Die Höhe des Energiebergs entscheidet darüber nicht.
Im ersten Beispiel sinkt das Energieniveau von 80 auf 30 Energieeinheiten. Die Differenz beträgt $80 - 30 = 50$ Energieeinheiten. Diese Energie wird insgesamt abgegeben: Die Reaktion ist exotherm.
Ein zweites Diagramm beginnt bei 40 und endet bei 90 Energieeinheiten. Die Differenz beträgt $90 - 40 = 50$ Energieeinheiten. Diese Energie muss das System insgesamt aufnehmen: Die Reaktion ist endotherm.
Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie unterscheiden
Auch eine exotherme Reaktion startet häufig nicht von selbst. Zunächst muss sie eine Energiebarriere überwinden. Die dafür nötige Mindestenergie heißt Aktivierungsenergie.
Aktivierungsenergie
Die Aktivierungsenergie $E_A$ ist der Abstand zwischen dem Energieniveau der Edukte und dem Kurvenmaximum:
$$E_A = E_{Maximum} - E_{Edukte}$$
Die Reaktionsenergie beschreibt dagegen den Unterschied zwischen Edukt- und Produktniveau. Sie sagt, wie viel Energie insgesamt abgegeben oder aufgenommen wird. Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie sind also zwei verschiedene Höhenunterschiede.
Im Diagramm mit 80 Energieeinheiten bei den Edukten, 140 am Maximum und 30 bei den Produkten gilt:
$E_A = 140 - 80 = 60$ Energieeinheiten.
Die Reaktionsenergie hat einen Betrag von 50 Energieeinheiten. Die zwei Werte sind verschieden, weil sie zwischen verschiedenen Punkten gemessen werden.
Was ein Katalysator verändert
Ein Katalysator eröffnet einen anderen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Im Diagramm liegt das Maximum der katalysierten Kurve deshalb tiefer. Die Reaktion kann dadurch schneller ablaufen.
Unverändert bleiben:
- das Energieniveau der Edukte,
- das Energieniveau der Produkte,
- die Reaktionsenergie,
- die Einordnung als exotherm oder endotherm.
Der Katalysator wird bei der Gesamtreaktion nicht dauerhaft verbraucht. Auch endotherme Reaktionen können katalysiert werden.
Ohne Katalysator liegt ein Maximum bei 140 Energieeinheiten, mit Katalysator bei 110. Beginnen beide Wege bei 80, sinkt die Aktivierungsenergie von 60 auf 30 Energieeinheiten. Enden beide bei 30, bleibt die abgegebene Reaktionsenergie 50 Energieeinheiten.
Ein Energiediagramm selbst aufbauen
Gehe beim Zeichnen und Beschriften in dieser Reihenfolge vor:
- Zeichne eine waagerechte Achse für den Reaktionsverlauf und eine senkrechte Achse für die Energie.
- Trage links das Energieniveau der Edukte ein.
- Entscheide anhand der Energieabgabe oder -aufnahme, ob das Produktniveau tiefer oder höher liegen muss.
- Zeichne einen Kurvenanstieg bis zum Maximum und danach den Verlauf zum Produktniveau.
- Markiere die Aktivierungsenergie vom Eduktniveau bis zum Maximum.
- Markiere die Reaktionsenergie zwischen Edukt- und Produktniveau.
- Zeichnest du einen katalysierten Weg, setze nur dessen Maximum tiefer; Start und Ende bleiben gleich.
Eine Temperaturänderung der Umgebung ist ein Hinweis: Erwärmt sich die Umgebung durch die Reaktion, wurde Energie an sie übertragen; kühlt sie sich ab, hat das System Energie aufgenommen. Temperatur und Energie sind aber nicht dasselbe. Das Diagramm stellt Energieniveaus dar, nicht direkt eine Temperaturkurve.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Energiediagramm
- Achsen
- waagerecht: Reaktionsverlauf
- senkrecht: Energie
- Energiebilanz
- exotherm: Produkte tiefer
- endotherm: Produkte höher
- Energiebarriere
- Maximum: Übergangszustand
- Abstand vom Start: Aktivierungsenergie
- Katalysator
- niedrigeres Maximum
- gleiche Anfangs- und Endniveaus
- Achsen