Energie bei chemischen Reaktionen

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Chemische Reaktionen sind eigentlich immer begleitet von einem Energieumsatz. Entweder muss man Energie zuführen oder es wird Energie frei.

Inhaltsverzeichnis

Typische Fehler und Probleme

  • Die meisten Schüler haben Probleme, den Begriff innere Energie zu verstehen, zumal es ja kein absoluter Wert ist, sondern im Vergleich zu einem Reaktionsprodukt zu sehen ist.
  • Die Aktivierungsenergie wird nicht immer verstanden. Manche gehen davon aus, dass auch das Erhitzen bei einer endothermem Reaktion als Aktivierung zu verstehen ist.
  • Energie ist als "Stoff" an der Reaktion beteiligt. Oder Energie liefernde Geräte, wie z.B. eine Solarzelle, die in einer Aufgabe vorkommen.

Unterrichtsideen

Was wären wir ohne Energie

Nuvola apps edu miscellaneous.png   Unterrichtsidee

... von BirgitLachner

Kernidee
Was wäre wir ohne Energie?

Vermutlich kann sich jeder Schüler vorstellen, was wäre, wenn wir plötzlich keinen Strom und kein Benzin mehr hätten. Dies wird als Ansatz genommen, Arten der Energieversorgung anzusprechen und dann speziell noch einmal die Photosynthese (aus dem Biologie-Unterricht bekannt) als eine Art der Speicherung von Energie mit energiereichen Stoffen. Diese chemische Energie kann dann beim Verbrennen wieder genutzt werden.

(3 Folien dazu können bei mir angefragt werden. Ich schicke sie per PM zu!)

Info: Nach dem Start in das Thema bekommen die Schüler ein AB, das mit Hilfe des Buches in das Thema einführen soll. Dabei sollen auch die neuen Begriffe herausgesucht und angewendet werden. Als Grundlage dienen auch einige Texte aus der Wikipedia, mit weiteren Informationen oder Grundlagen für weitere Aufgaben. Bilder müssten noch ergänzt werden, wobei man im Internet viel finden kann.

Arbeitsblatt

Chemische Reaktionen und Energie

Material 1
Photosynthese

Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem Lichtenergie durch Lebewesen in chemische Energie umgewandelt wird und organische Stoffe synthetisiert werden. ... Die Synthese dieser Stoffe geht überwiegend von der sehr energiearmen anorganischen Kohlenstoff-Verbindung Kohlenstoffdioxid aus. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht – durch Energiezufuhr (Licht) – Traubenzucker (Glucose) und Sauerstoff.


Material 2
Chemische Energie

Verwendung chemischer Energie in technischen Systemen Aus technischer Sicht ist in Treibstoffen chemische Energie gespeichert, die durch deren Verbrennung, etwa beim Antrieb von Fahrzeugen, in mechanische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen erlauben den Wandel von chemischen Reaktionsenergie einer Verbrennung direkt in elektrische Energie. Bei Nutzung von Batterien wird über elektrochemische Reaktionen die chemische Energie direkt in elektrische Energie gewandelt. Ein Akkumulator verhält sich bei der Nutzung der Energie ähnlich wie eine Batterie, kann aber auch umgekehrt elektrische Energie in chemische wandeln und so speichern. Verwendung chemischer Energie in biologischen Systemen Aus biologischer Sicht ist in organischer Nahrung chemische Energie gespeichert, die in ATP als Energieträger umgewandelt wird. Grüne Pflanzen beziehen ihre chemische Energie nicht aus organischer Nahrung, sondern aus dem Energiegehalt der Sonnenstrahlung ...


Material 3
Bleiakku

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku, besonders beim Kfz auch Starterbatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden aus Blei und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Bei der Entladung wird das Blei oxidiert und löst sich im Elektrolyt auf. Beim Laden wird die Oxidation umgekehrt und es entsteht wieder metallisches Blei.


Material 4
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Wasserstoff scheint eines der Energieträger der Zukunft zu sein. Besonders sauber wird er hergestellt, wenn der für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff benötigte Strom mit Hilfe von Solarzellen gewonnen wird. Wird das gasförmige Wasserstoff unter Druck verflüssigt, so kann man ihn auch in Tanks füllen und als Treibstoff verwendet werden. Dabei kann der Wasserstoff direkt mit Sauerstoff verbrannt werden oder die, in ihm enthaltene Energie, wird mit Hilfe einer sogenannten Brennstoffzelle in elektrischen Strom verwandelt werden. Und die „Abgase“? Als einziges Reaktionsprodukt entsteht Wasserdampf.


Quellen: Wikipedia-Artikel

Fragen und Arbeitsaufträge (die Seitenangaben beziehen sich auf „Elemente I“ von Klett)

  1. Was würde dir fehlen, wenn es keinen Strom mehr gäbe? Wie wäre es, wenn es kein Benzin mehr geben würde?
  2. Im bisherigen Unterricht haben wir verschiedene Reaktionen durchgeführt, bei denen Energie frei wird. Welcher Stoff hat deiner Meinung wäre am besten zum „Heizen“ geeignet? Erkläre deine Entscheidung.
  3. Nenne energiereiche und energiearme Stoffe zu einigen der chemischen Reaktionen im Unterricht oder aus dem Haushalt.
  4. In Materialien 1, 3 und 4 werden Beispiele gezeigt, wie Energie chemisch gespeichert werden kann. Suche die entsprechenden Sätze heraus. Versuche zu jeder Reaktion eine Reaktionsschema zu formulieren. Welche der beteiligten Stoffe enthalten viel Energie und welche wenig Energie?
  5. Im Buch auf Seite 56/57 wird beschrieben, wie man als Chemiker Reaktionen bezeichnet, bei denen Energie aufgenommen bzw. abgegeben werden. Schreibe die zwei Namen heraus und jeweils einen Satz als Definition dahinter. Dazu jeweils eine Beispielreaktion aus dem Buch.
  6. Bei der Reaktion von Zink mit Schwefel wird Energie abgegeben. Allerdings funktioniert die Abgabe der Energie nicht einfach so. Ein Gemisch aus Zink und Schwefel reagiert nicht zu Zinksulfid, wenn man es nur lang genug stehen lässt. Durch Erhitzen mit dem Bunsenbrenner wird erst einmal Energie zugeführt, so das die innere Energie größer wird.
    1. Im Buch auf Seite 56 findest du zwei Kurven, von denen eine den Energieverlauf bei einer Reaktion von Eisen mit Schwefel darstellt. Suche die richtige zur Reaktion von Zink mit Schwefel heraus und beschreibe den Ablauf mit eigenen Worten.
    2. Wie bezeichnet man die Energie, die man zuführen muss, damit eine exotherme Reaktion gestartet wird.
    3. Warum nennt man bei endothermen Reaktionen die Energiezufuhr nicht wie in b.) ?
  7. Modellversuch exotherme und endotherme Reaktion. Zu Versuch 1: Die "Reaktion" wird gestartet, indem man in das offene Rohr von Gefäß A bläst. Die Flüssigkeit wandert im verbindenden Rohr. Sobald sie den absteigenden Ast des Rohres erreicht muss nicht mehr geblasen werden, die Flüssigkeit läuft von sich aus vollständig in Gefäß B. Zu Versuch 2: Analog zu Durchführung 1 wird die Reaktion gestartet, indem in das offene Rohr von Gefäß A geblasen wird. Diesmal gibt es jedoch keinen Punkt im verbindenden Rohr, ab dem die Reaktion von selbst weiter läuft. Das Blasen muss bis zum vollständigen Übergang der Flüssigkeit aufrecht erhalten werden. Unterbricht man es, fließt die Flüssigkeit aus dem Rohr wieder in Gefäß A zurück.
    1. Welcher Versuch entspricht einer exothermen und welche einer endothermen Reakation?
    2. Vergleiche diesen Modellversuch mit „echten Reaktionen“.
  8. Was für eine Verbindung ist Wasser? Versuche das aus einem der Materialien herauszubekommen. Erkläre deine Entscheidung.
  9. Wir haben einen großen Haufen eines Gemisches aus Eisen und Schwefel. Warum müssen wir die Reaktion nur an einer Seite starten. Verwende auch den Begriff aus Aufgabe 6.b).
  10. Rechts ein Beutel mit Holz-Pellets. Wie kann man damit heizen. Erkläre dies chemisch! (Bild fehlt hier)
  11. Informiere dich entweder über Bleiakkus oder Brennstoffzellen:
    1. Warum müssen Bleiakkus ordungsgemäß entsorgt werden?
    2. Was ist der große Nachteil von Brennstoffzellen als Autoantrieb?