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| '''Heizen und Antreiben?''' ... ''was hat das mit Chemie zu tun?''
| | Holz ist ein bei uns nachwachsender Rohstoff mit vielen positiven Eigenschaften und daher ist es auch vielseitig sind verwendbar. Zum einen wird es als Baumaterial für Möbel, für Verpackungsmaterial und Papier und auch als Konstruktionsholz im Bauwesen. Gleichzeitig ist Holz aber auch ein wichtiger Energieträger. Normalerweise denkt man in diesem Zusammenhang nur an die Verbrennung von Holz. Mit Hilfe der '''Pyrolyse''' kann man jedoch ebenfalls die Energie, die im Holz enthalten ist, auf eine andere Art und Weise nutzen. |
| Drei wichtige Aspekte, die wir bisher schon bei den anderen Themen angesprochen haben, bringen hier Chemie ins Spiel:
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| # Welche Stoffe eigenen sich zum Heizen und Antreiben? Was sind ihre typischen Eigenschaften, die bei der Verwendung eine Rolle spielen?
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| # Welche chemischen Reaktionen laufen bei der Benutzung ab?
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| # Können wir die Eigenschaften und die Reaktionen auf atomarer Ebene erklären?
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| Ein wichtiger Aspekt bei chemischen Reaktionen, der hier eine Rolle spielt, den wir bisher noch nicht so intensiv betrachtet haben, ist das Thema "Energie", vor allem Wärmeenergie. Oft müssen wir etwas erhitzen um eine Reaktion zu starten. Viele Reaktionen, laufen sie erst einmal ab, produzieren auch viel Wärme und man sieht eine helle Lichterscheinung. | | Ein großer Vorteil für unsere Wirtschaft ist, das Holz in Mitteleuropa umweltfreundlich produziert wird und im Vergleich zu anderen Roh- und Werkstoffen eine sehr gute Ökobilanz aufweist. Daher muss Holz auch nicht umständlich herantransportiert werden. |
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| <gallery mode="packed" heights="230" style="text-align:center">
| | == Was ist Holz? == |
| Datei:Lagerfeuer 1986.jpg|Hier wird viel Energie abgegeben. Dafür macht man ja ein Lagerfeuer an!
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| Datei:Cooking Crepes.jpg|Ohne Wärme-Energie würde aus dem Teig kein Crepe werden!. Auch das ist eine chemische Reaktion!
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| Datei:Fireworks 5049.jpg|Der Chemiker sieht hier die chemische Reaktionen und die beteiligten Elemente!
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| </gallery>
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| Das knifflige an dem Thema ist, dass Energie nicht so gut greifbar ist. Man kann sie eigentlich nicht so wirklich sehen, nur wenn sich etwas ändert - wenn Energie frei wird oder zugeführt wird - merkt man etwas davon. Damit auch du mit dem neuen Begriff '''Energie''' gut zurecht kommst, werden wir alles von verschiedenen Seiten beleuchten. Das wird dir auch einiges an Energie ab verlangen und du musst einiges an Energie für das Lernen der Begriffe aufbringen, aber es ist ein sehr wichtiger Aspekt in der Chemie. Und wir kommen dabei auf den chemischen Reaktionen auf die Schliche, was Stoffe dazu antreibt mit anderen zu reagieren.
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| == Energieumsätzen mit vielen Ausdrücken beschreiben == | | == Eyperimente zur Pyrolyse == |
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| Bei den oben in den Bildern gezeigten Reaktionen ist es relativ klar, wo man Energie zuführt und wo Energie frei wird. Bei Vorgängen, die du nur als Text beschreiben bekommst, ist das nicht immer so klar, denn es kann leicht umschrieben werden. Übe das genaue Lesen mit der "Energie-Brille" nun mit den folgenden Materialien.
| | {{Box|BEGRIFF Pyrolse|2=Die '''Pyrolyse''' bzw. '''pyrolytische Zersetzung''' (von altgriechisch πῦρ ''pyr'' ‚Feuer‘ und λύσις ''lýsis'' ‚(Auf)Lösung‘) ist eine Aufspaltung organischer Verbindungen durch hohe Temperaturen (200–900 °C) aber unter Sauerstoff-Ausschluss. |
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| | Ältere Bezeichnungen für die Pyrolyse sind ''Brenzen'', ''trockene Destillation'', ''zersetzende Destillation'' oder ''Entgasung''. Der Wortstamm "Brenz-" in den Namen chemischer Verbindungen wie Brenzcatechin und Brenztraubensäure geht hierauf zurück. |
| | |3=Merksatz}} |
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| {{Box|AKTIVITÄT (Pflicht) - Energieumsätze in Texten erkennen|2= | | {{Box|EXPERIMENT 1 - Holzgas aus dem Fingerhut/Alubecher|2= |
| Was bedeutet es, das bei einer Reaktion Energie abgegeben wird? Umgangssprachlich gibt es dafür viele Ausdrücke und Formulierungen. Dass sollst du anhand von einigen Vorgängen aus dem Alltag genauer betrachten.
| | https://www.zeitbild.de/wp-content/uploads/2010/12/ZB_Wissen_ABs_Biomasse_Holzgas.pdf |
| → [[/Texte erfassen/|Texte zur Energie bei chemischen Reaktionen erfassen]]
| | |3=Experiment}} |
| |3=Lernpfad}} | |
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| == Energie aus physikalischer Sicht ==
| | {{Box|EXPERIMENT 2 - Pyrolyse im Reagenzglas|2= |
| [[File:Doel Kerncentrale.JPG|right|250px]]
| | https://www.gymnasium-ettenheim.de/faecher/nwt/06_holzvergasung.doc |
| | |3=Experiment}} |
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| Sicher bekommt ihr auch mit, dass andauernd der Begriff Energie in den Nachrichten vorkommt: Energie sparen, Alternative Energie, fossile Energie, Sonnenenergie, ... und so weiter. Für die Physiker ist der Begriff "Energie" von wichtiger Bedeutung, denn Energie ist eine der grundlegenden physikalischen Größen. Auch wenn das Thema im Physik-Unterricht getrennt behandelt wird, so ist es sinnvoll ein paar Dinge dazu hier noch einmal anzusprechen und das am besten gleich zu üben.
| | === Auswertung zu Experiment 2 === |
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| :'''''ÜBRIGENS:''' Physik ist für den Chemie-Studenten auch ein Pflichtfach. Man muss meist eine Vorlesung mit Eperimenten und Übungen besuchen!. Da sind gute Mathematik-Kenntnisse auch ganz hilfreich!''
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| Bei Energie denkt man sicher zuerst an Strom. Denn das ist die Energieart, die inzwischen unser Leben am meisten bestimmt und wenn sie fehlt, führt das zum Chaos. Es gibt zahlreiche Arten Energie bzw. Strom zu gewinnen.
| | Aus Buchenholz entsteht durch Pyrolse bei etwa 350°C, etwa 19% brennbares '''Holzgas''', etwa 25% '''Holzgeist''' und es bleibt als Rest Holzkohle. |
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| Ganz einfach ist die Ausnutzung natürlichen Energie-Quellen, wie Wind und Sonne. Die Windenergie wird schon seit Urzeiten genutzt, lange ohne das man Strom produziert hat. In Rheinland-Pfalz wurden 2015 etwa 25% des Stroms mit Windenergie erzeugt ([https://www.foederal-erneuerbar.de/landesinfo/bundesland/RLP/kategorie/wind/auswahl/511-anteil_der_windstrom/#goto_511 ''Info-Seite mit Daten dazu'']). Nur Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern haben in Deutschland ein größeren Anteil. Bei dieser Stromgewinnung wird die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umgewandelt.
| | == Verlgeich von Holz mit anderen Brennstoffen == |
| | {| class="wikitable" |
| | |'''Brennstoff''' |
| | |'''C(%)''' |
| | |'''H(%)''' |
| | |'''O(%)''' |
| | |'''N+S(%)''' |
| | |'''Heizwert kJ/kg''' |
| | |- |
| | |Holz (lufttrocken) |
| | |50,0 |
| | |6,0 |
| | |44,4 |
| | |– |
| | |15 100 |
| | |- |
| | |Torf (lufttrocken) |
| | |59,0 |
| | |6,0 |
| | |33,0 |
| | |2,0 |
| | |14 700 |
| | |- |
| | |Braunkohle |
| | |74,0 |
| | |5,5 |
| | |18,5 |
| | |2,0 |
| | |16 800 |
| | |- |
| | |Steinkohle |
| | |88,5 |
| | |4,2 |
| | |5,1 |
| | |2,2 |
| | |30 400 |
| | |- |
| | |Erdöl |
| | |84,0 |
| | |13,0 |
| | |3,0 |
| | |– |
| | |42 000 |
| | |- |
| | |Spiritus |
| | |52,0 |
| | |13,0 |
| | |35,0 |
| | |– |
| | |27 000 |
| | |- |
| | |Dieselöl |
| | |87,0 |
| | |13,0 |
| | |– |
| | |– |
| | |41 800 |
| | |- |
| | |Benzin |
| | |85,0 |
| | |15,0 |
| | |– |
| | |– |
| | |42 600 |
| | |- |
| | |Heizöl |
| | |86,0 |
| | |14,0 |
| | |– |
| | |– |
| | |43 000 |
| | |} |
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| Das erste Atomkraftwerk wurde erst 1942 in Chicago in Betrieb genommen, gebaut unter der Leitung des italienischen Physikers {{wpde|Enrico_Fermi|Enrico Fermi}}. Da haben wir eine Art Physikalische Energie, die frei wird, wenn Elemente ineinander umgewandelt werden. Dabei werden große Mengen an Energie frei, aber diese können auch zu Katastrophen führen, wie es sich zuletzt in {{wpde|Nuklearkatastrophe von Fukushima|Fukushima (Japan)}} gezeigt hat. Trotz einer Umwandlung von Stoffes haben wir hier keine chemische Reaktion. Da Kernkraft etwas schwieriger zu verstehen ist, wirst du dich noch nicht damit beschäftigen.
| | == Aufgaben zum Verständnis == |
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| Zuerst einmal soll es um verschiedene grundlegende Arten von Energie gehen. Die Produktion von Energie in chemischen Reaktionen, wird später genauer betrachtet.
| | {{Box|AUFGABE XX - Verkokung von Steinkohle|2= |
| | <div class="grid"> <div class="width-1-2">'''Koks''' ist ein poröser, stark kohlenstoffhaltiger Brennstoff, der in Kokereien bevorzugt aus Steinkohle durch Wärmeeinwirkung unter Sauerstoffabschluss ('''Pyrolyse''') erzeugt wird. Der Vorgang der Verkokung von Kohle zu Koks findet in speziellen Industrieanlagen statt, die als Kokereien bezeichnet werden. Dabei werden die flüchtigen Bestandteile der Kohle entfernt, indem diese in einem Ofen unter Luftausschluss bei mehr als 1000 °C erhitzt wird, so dass der feste Kohlenstoff und die verbleibende Asche verschmelzen. |
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| {{Box|AKTIVITÄT (Pflicht) - Energie aus pyhsikalischer Sicht|2=
| | Koks aus Kohle wird insbesondere als Brennstoff bei der Eisenproduktion in Hochöfen eingesetzt, da es weniger Verunreinigungen enthält. |
| Diese Aktivität besteht aus einem Text mit Theorie und zahlreichen Quizzen, in denen du testen kannst, ob du alles verstanden hast.
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| → [[/Energie aus physikalischer Sicht für Chemiker/|Energie aus physikalischer Sicht]]
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| |3=Lernpfad}}
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| == Wie Chemiker die Energie bei chemischen Reaktionen betrachten ==
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| Du hast ja sicher schon Chemische Reaktionen selber durchführt und eigentlich sind sie ja sowieso alltäglich und finden andauernd um uns herum statt. Um das Thema "Energie bei chemischen Reaktionen etwas genauer zu betrachten, soll es nun ans Experimentieren gehen.
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| Dazu gibt es nun einige Experimente, bei denen man das Thema besonders gut entdecken kann.
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| {{Box|AKTIVITÄT (Pflicht) - Experimente zu Energie bei chemischen Reaktionen|2=Die auf der Unterseite beschriebenen Experimente werden in einem Lernzirkel durchgeführt. Die Reihenfolge ist beliebig. Neben Experimenten, die du selber durchführst, werden auch Filme für Experimente gezeigt, die zu gefährlich sind.
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| → [[/Experimente zu Energie bei chemischen Reaktionen/|Experimente zu Energie bei chemischen Reaktionen]]
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| |3=Lernpfad}}
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| Nach den Experimenten müssen wir uns der Theorie zuwenden, damit du verstehen kannst, was da beid en Experimenten vor sich gegangen ist.
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| Solche Begriffe wie ''Energieverbrauch'', ''Energieverschwendung'' oder ''Energiegewinnung'' sind zwar alltäglich, aber von den Physikern haben wir gelernt, dass Energie immer nur umgewandelt wird und nie verloren geht bzw. nicht aus dem Nichts entstehen kann. Dieser '''Energieerhaltungs-Satz''' muss natürlich auch bei chemischen Reaktionen gelten, wenn scheinbar Energie erzeugt wird. Man sagt deshalb, dass Stoffe eine besondere Art an Energie haben, die man als '''chemische Energie''' bezeichnet. Wenn bei einer chemischen Reaktion Energie frei wird, dann wird '''chemische Energie''' in eine andere Energieform, wie zum Beispiel in Wärme- und Lichtenergie, umgewandelt.
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| {{Box|DEFINITION Chemische Energie|Als '''chemische Energie''' wird die Energieform bezeichnet, die in Form einer chemischen Verbindung in einem Energieträger gespeichert ist und bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden kann.|Hervorhebung2}}
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| Das hatte wir im Prinzip bei den ersten Texten zu chemischen Reaktionen, wo Energie wichtig war. Holz ist ein Stoff, der sehr viel chemische Energie enthält. Lässt man es mit Sauerstoff aus der Luft reagieren - ''sprich: man zündet es an'' - dann wird '''beim Verbrennen''' die innere, chemische Energie als Wärmeenergie freigesetzt.
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| {{Box|AKTIVITÄT (Pflicht) - Theorie und Begriffe zu Energie bei chemischen Reaktionen|2=
| |
| Auf der Unterseite zu dieser Aktivität wirst du hoffentlich genau verstehen, wie chemische Energie gespeichert ist und wie man daraus Energie gewinnen kann.
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| → [[/Theorie zu Energie bei chemischen Reaktionen/|Theorie zu Energie bei chemischen Reaktionen]]
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| |3=Lernpfad}}
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| === Heiz-Energie für das eigene Haus ===
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| Im Alltag nutzen wir verschiedene energiereiche Stoffe, um zum Heizen oder Kochen Wärme zu erzeugen.
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| Zum einen sind das fossile Brennstoffe, wie '''Erdöl''' oder '''Erdgas''', bei denen die Ressourcen aber in absehbarer Zeit verbraucht sein werden. Erdgas ist gerade bei Profi-Köchen zum Kochen sehr beliebt, da man schnell hohe Temperaturen erhält, was bei einem elektisch betriebenen Herd nicht möglich ist.
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| In den letzten Jahren hat '''Holz''' als Heizmaterial wieder an Bedeutung gewonnen. Während in den alten Holzöfen von Hand die Holzscheite in die Brennkammer gelegt werden mussten, erlauben moderne Pelletöfen einen automatischen Betrieb, bei dem die Pellets mit Förderschnecken aus einem Tank automatisch nach Bedarf in die Brennkammer transportiert werden und dort auch automatisch angezündet werden können.
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| <div class="grid">
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| <div class="width-1-2">Ein Vorteil von Holz ist, dass es ein nachwachsender Rohstoff ist und somit nie aufgebracht sein wird. Allerdings ist auch wichtig, dass die Öfen gut eingestellt sind, dass heißt das die richtige Menge an Sauerstoff vorhanden ist, damit das Holz vollständig verbrennt und kein Russ und feiner Staub frei wird. Das ist dank moderner Mess- und Steuerungstechnik möglich.
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| Vergleicht man die enthaltene Energie von Holz und Erdöl, so liefern 200 Gramm Holzpellets die gleiche Energiemenge wie etwa 0,1 Liter Heizöl, nämlich etwa 1 kwh . Damit können 10 Liter Wasser zum Kochen gebracht werden, 4 Minuten geduscht oder ein modernes Haus mit 100 Quadratmetern im Winter eine halbe Stunde lang beheizt werden.
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| </div>
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| <div class="width-1-2">[[Datei:Csm Moderne Heiztechnik und heimische Holzwirtschaft machen Brennholz zum Klimaschuetzer Foto energie-experten.org e4058fcfac.jpg]] <br>'''Lizenz:''' (C) https://www.energie-experten.org/</div>
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| </div> | | </div> |
| | <div class="width-1-2"> |
| | [[File:KokereiProsper2011 21.jpg]] Nach Erhitzen in Kokerei-Ofen muss die Kohle erst einmal gelöscht werden. |
| | </div> </div> |
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| === Chemische Energie in Lebensmitteln ===
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| Nicht immer ist das Freiwerden von Chemischer Energie mit Feuer oder Licht zu verbunden. Lebensmittel liefern dem Menschen die für das Überleben notwendige Energie. Damit wird die Körpertemperatur aufrecht erhalten und die Muskeln (auch das Herz) erhalten die für viele Funktionen benötige Energie in Form von Glykogen.
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| Auf Lebensmittel findet man Informationen zur Energiemenge, die in einer Portion enthalten sind. Dabei verwendet man meist die veraltete Einheit kcal ('''cal''' von '''Kalorie''' und '''k''' als Vorsilbe '''Kilo''' = Faktor 1000). Der Name Kalorie leitet sich von dem lateinischen Begriff ''calor'' (= Wärme) ab.
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| <center>[[File:Kennzeichnung-kaese vereinfacht.svg|400px]]</center>
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| {{Box|DEFINITION 1 kal|
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| Eine Kalorie entspricht der Energiemenge, die benötigt wird, um ein Liter Wasser um 1°C zu erwärmen.|Hervorhebung1}}
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| Da die Einheit '''kcal''' veraltet und nicht genau festgelegt ist, muss auf jeder Verpackung immer auch die Einheit J (=Joule) bzw. kJ (=1000 J) vorhanden sein.
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| [[Datei:Bombenkalorimeter mit bombe.jpg|right|400px]]Die in einem Lebensmittel enthaltene Energiemenge wird meist in einem Bombenkalorimeter bestimmt, dass weiter vorne schon erwähnt wurde. Dabei wird das Lebensmittel verbrannt und man bestimmt die dabei freigewordende Energie.
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| Viele Menschen orientieren sich an diesen Energiemengen, um zum Beispiel für eine Diät genau festzustellen, wieviel Energie sie zu sich nehmen. Da ein erwachsener Mann zwischen 20 und 25 bei durchschnittlichem Gewicht und körperlichen Aktivität einen täglichen Energiebedarf bei 13.000 kJ (3.105 Kilokalorien) hat, müsste er weniger Kalorien zu sich nehmen um Gewicht zu verlieren.
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| Das Problem bei den Kalorienangaben auf den Lebensmittelverpackungen ist, dass die Lebensmittel im Körper nicht "verbrannt" werden. Stattdessen wandelt der Stoffwechsel in den Zellen sie in komplexeren Vorgängen, meist über mehrere Stufen hinweg, in energieärmere Stoffe um. Im Gegensatz zu der im Bombenkalorimeter entstehenden Asche, können diese Abfallprodukte noch Energie enthalten. Außerdem werden Bestandteile der Nachrung als Baustoffe im Körper verwendet und werden daher gar nicht für die Energieproduktion genutzt. Da gibt es auch Unterschiede bei den verschiedenen Bestandteilen der Nahrungsmittel:
| | '''Fragen:''' |
| * '''Kohlenhydrate''' werden ausschließlich zur Energie-Produktion genutzt.
| | # Warum muss das Erhitzen der Kohle unter Luftabschluss geschehen? |
| * '''Eiweiße''' sind der Baustoff aus denen der Körper besteht. Daher wird der größte Teil zum Reparieren der Zellen genutzt. In der Nacht wird aus Eiweiß aber auch Zucker hergestellt, was vor allem für das Gehirn wichtig ist.
| | # Obwohl die Kohle im Ofen unter Luftabschluss erhitzt wurde, und damit nicht brennen kann, muss sie (wie im Bild zu sehen) gelöscht werden. Warum ist das so? |
| * Auch '''Fett''' ist ein wichtiger Baustoff für Zelle des Körper und Grundstoff für viele Hormone, die lebensnotwendig sind. Wenn genügend Energie in Form von Kohlenhydraten gegessen, kann der Körper Fett gut in Speichern für spätere Hungerperioden einlagern.
| | {{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG Aufgabe 2.3b|2= ... Kommt noch ... |
| | |3=Lösung}}}} |
| | |3=Üben}} |
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| [[Kategorie:Energie]] | | [[Kategorie:ChemieUnfertig]] |
| [[Kategorie:Katalysator]] | | [[Kategorie:Pyrolyse]] |
| [[Kategorie:Chemische Reaktion]]
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| [[Kategorie:Rheinland-Pfalz]]
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| [[Kategorie:Eiweiß]]
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| [[Kategorie:Fett]]
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| [[Kategorie:Kohlenhydrat]]
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Nach Erhitzen in Kokerei-Ofen muss die Kohle erst einmal gelöscht werden.
