Chemische Energie

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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.[1] Der Begriff geht auf Wilhelm Ostwald zurück, der ihn 1893 in seinem Lehrbuch „Chemische Energie“ (im Begriffspaar „Chemische und innere Energie“) neben andere Energieformen („Mechanische Energie“, „Wärme“, „Elektrische und magnetische Energie“ sowie „strahlende Energie“) stellte.[2]

Chemische Energie ist ein makroskopischer Ausdruck zur Beschreibung der Energie, die mit elektrischen Kräften in Atomen und Molekülen verbunden ist und sich in chemischen Reaktionen ausdrückt.[3] Sie kann unterteilt werden in kinetische Energie der Elektronen und potentielle Energie der elektromagnetischen Wechselwirkung von Elektronen und Atomkernen.[4] Sie ist eine Innere Energie, wie die thermische Energie und die Kernenergie.[5]

Verwendung des Begriffs chemische Energie[Bearbeiten]

In der Fachwissenschaft Chemie wird der Ausdruck „chemische Energie“ nicht verwendet, nur unter Angabe der Umgebungsbedingungen ist der Begriff eindeutig definiert – dafür existiert dann jeweils ein anderer etablierter Begriff.

Oft ist mit chemischer Energie die Energie gemeint, die durch eine Verbrennung eines Stoffes (bei konstantem Druck) freigesetzt wird, also die Verbrennungsenthalpie. Der Satz von Hess ermöglicht die Berechnung der Energien bei Stoffumwandlungen aus den exakt definierten Bildungsenthalpien der beteiligten Verbindungen.

Ähnliche Begriffe sind Heizwert und Brennwert, die jeweils auf die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge abzielen.

Die chemische Energie darf nicht mit der chemischen Bindungsenergie verwechselt werden. Die chemische Bindungsenergie beschreibt die Festigkeit einer bestimmten chemischen Bindung, gibt also an, wie viel Energie dem Molekül zur Auflösung der Bindung zugeführt werden muss.

In anderen Naturwissenschaften, den Ingenieurswissenschaften usw. wird der Begriff der chemischen Energie in seiner teilweise unscharfen Form verbreitet verwendet. Obwohl manche Physikdidaktiker die Verwendung des Begriffs kritisieren („Der Begriff ist nützlich, wenn es um eine grobe Orientierung geht, erweist sich aber als widerspenstig, wenn man ihn streng zu fassen sucht. Im physikalischen Jargon ist er brauchbar, im physikalischen Kalkül überflüssig, zum physikalischen Verständnis hinderlich.“)[6] wird der Begriff in praktisch allen Didaktik-Veröffentlichungen und Schulbüchern akzeptiert und verwendet.[7][8][9][10]

Verwendung chemischer Energie in technischen Systemen[Bearbeiten]

Aus technischer Sicht ist in Treibstoffen chemische Energie gespeichert, die durch deren Verbrennung, etwa beim Antrieb von Fahrzeugen, in mechanische Energie umgewandelt wird.[11] Brennstoffzellen erlauben den Wandel von chemischen Reaktionsenergie einer Verbrennung direkt in elektrische Energie. Bei Nutzung von Batterien wird über elektrochemische Redoxreaktionen 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[Bearbeiten]

Aus biologischer Sicht ist in organischer Nahrung chemische Energie gespeichert, die in ATP-Moleküle als Energieträger umgewandelt wird. Grüne Pflanzen beziehen ihre chemische Energie nicht aus organischer Nahrung, sondern aus dem Energiegehalt der Sonnenstrahlung, manche Bakterien aus Oxidationsenergie reduzierter Verbindungen (z.B. Fe2+ oder CH4). Die ATP-Moleküle innerhalb der biologischen Zellen erlauben, chemische, osmotische und mechanische Arbeit zu leisten.

Literatur[Bearbeiten]

  • Ostwald, Wilhelm: Lehrbuch der allgemeinen Chemie. Zweite ungearbeite Auflage. II. Band, I. Teil: Chemische Energie. Leipzig: W. Engelmann, 1893. (Nachdruck: Wilhelm Ostwald: Die Energie. BoD – Books on Demand, April 2012, ISBN 978-3-8457-4220-5, S. 133– (Zugriff am 12. Juni 2013).)
  • Dieter Meschede: Gerthsen Physik. Springer DE, 1. Januar 2010, ISBN 978-3-642-12894-3, S. 304– (Zugriff am 13. Juni 2013). – Kapitel 6.6.8 „Chemische Energie“

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. „Die chemische Energie beruht darauf, dass chemische Bindungen unter Abgabe von Wärme und Arbeit in andere chemische Bindungen übergehen können...“ Karl-Heinz Lautenschläger: Taschenbuch der Chemie. Harri Deutsch Verlag, 2007, ISBN 978-3-8171-1761-1, S. 264– (Zugriff am 12. Juni 2013).
  2. Chemische Energie in: Dieter Freude, Randall Snurr: Energie-Grundlagen
  3. Quantenphysik und Statistische Physik. Oldenbourg Verlag, 21. Dezember 2011, ISBN 978-3-486-71340-4, S. 505– (Zugriff am 13. Juni 2013).
  4. Feynman Vorlesungen über Physik 1: Mechanik, Strahlung, Wärme. Definitive Edition. Oldenbourg Verlag, 2007, ISBN 978-3-486-58108-9, S. 54– (Zugriff am 13. Juni 2013).
  5. Friedhelm Kuypers: Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler: Band 1 - Mechanik und Thermodynamik. John Wiley & Sons, 4. Oktober 2012, ISBN 978-3-527-66957-8, S. 248– (Zugriff am 13. Juni 2013).
  6. Chemische Energie als „Altlast der Physik“ (PDF; 40 kB)
  7. Jörg Willer: Didaktik des Physikunterrichts. Harri Deutsch Verlag, 2003, ISBN 978-3-8171-1693-5, S. 212– (Zugriff am 13. Juni 2013).
  8. Weisskopf, Victor F.: So einfach ist Physik. 6. Chemische Energie. In: Physik und Didaktik (0340-8515) - 16 (1988) 3, S. 177-181
  9. Dissertation von Martin Bader (PDF; 1,4 MB)
  10. Physikalische Konzepte angewandt auf chemische Reaktionen (PDF; 377 kB), D. Plappert, in: PdN-PhiS. 3/54. Jg. 2005
  11. „Chemische Energie ist die Energie, die auf den Bindungskräften der Atome im Molekülverband beruht. Sie wird freigesetzt und in innere thermische Energie umgewandelt, wenn sich durch chemische Prozesse die die Moleküle in ihre atomaren Bausteine aufspalten und diese sich zu neuen Molekülen formieren.“ aus (Wolfgang Geller: Thermodynamik für Maschinenbauer: Grundlagen für die Praxis. Springer DE, 1. Januar 2006, ISBN 978-3-540-32320-4, S. 85– (Zugriff am 12. Juni 2013).)