MINT lernen

AbituraufgabenDie Aktivierungsenergie

Ein Streichholz, das auf seinen Funken wartet, und Lachgas, das energiereich ist und trotzdem nicht zerfällt.

Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1

Das Streichholz

AFB I–II

Der Kopf eines Sicherheitszündholzes enthält Kaliumchlorat, Schwefel und Bindemittel, die Reibfläche der Schachtel roten Phosphor. Beim Anreißen gelangen Spuren von Phosphor an den Zündkopf, und die Reibung erwärmt ihn. Das Streichholz entzündet sich und brennt danach selbstständig weiter. Unbenutzte Streichhölzer bleiben dagegen jahrelang unverändert.

M1Energiediagramm der Verbrennung des Zündkopfs (schematisch)
ReaktionsverlaufEnergieEdukteProdukte
  1. Beschreiben Sie den Kurvenverlauf in M1.
  2. Zeichnen Sie in eine Skizze von M1 die Aktivierungsenergie und die Reaktionsenthalpie ein.
  3. Erklären Sie, warum unbenutzte Streichhölzer jahrelang stabil bleiben.
  4. Erläutern Sie, warum einmaliges Anreißen genügt, damit das ganze Streichholz abbrennt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Gehen Sie von links nach rechts vor: Ausgangsniveau, Anstieg, Maximum, Endniveau.
Hinweis zu Aufgabe b)
Beide Größen werden als senkrechte Pfeile eingetragen — mit welchem Startpunkt?
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Energie fehlt den Teilchen bei Raumtemperatur?
Hinweis zu Aufgabe d)
Woher stammt die Aktivierungsenergie für die Teilchen, die als nächste reagieren?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Energie steigt von den Edukten aus zunächst bis zu einem Maximum (Übergangszustand) an und fällt dann auf das Niveau der Produkte, das deutlich unter dem der Edukte liegt. Die Reaktion ist exotherm, hat aber eine Energiebarriere.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(E_A\): senkrechter Pfeil vom Edukt-Niveau nach oben bis zum Maximum. \(\Delta_r H\): senkrechter Pfeil vom Edukt-Niveau nach unten bis zum Produkt-Niveau (negativ).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Bei Raumtemperatur besitzen praktisch keine Teilchen die nötige Aktivierungsenergie; die Reaktion ist kinetisch gehemmt. Das System ist metastabil: energetisch ungünstig gegenüber den Produkten, aber durch die Energiebarriere geschützt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Reibungswärme liefert einmalig die Aktivierungsenergie für die ersten Teilchen am Zündkopf. Weil die Reaktion exotherm ist, setzen diese Teilchen mehr Energie frei, als zu ihrer Aktivierung nötig war. Diese Energie erwärmt benachbarte Bereiche, sodass dort weitere Teilchen die Aktivierungsenergie erreichen — die Reaktion pflanzt sich selbstständig fort.

2

Das beständige Lachgas

AFB II–III

Distickstoffmonooxid (Lachgas, \(\ce{N2O}\)) dient als Treibgas in Sahnekapseln und als Narkosegas. Es ist ein starkes Treibhausgas und bleibt in der Atmosphäre über ein Jahrhundert erhalten. Oberhalb von etwa 600 °C zerfällt es: \(\ce{2 N2O(g) -> 2 N2(g) + O2(g)}\). Die Standard-Bildungsenthalpie beträgt \(\Delta_f H^\circ(\ce{N2O}) = +82{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).

M2Energiediagramm des Zerfalls (Aktivierungsenergie gerundet)
−200−1000100200300ReaktionsverlaufEnergie in kJ/mol2 N₂O2 N₂ + O₂EA ≈ 250 kJ/mol
  1. Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie des Zerfalls.
  2. Bestimmen Sie die Aktivierungsenergie der Rückreaktion.
  3. Deuten Sie die Beobachtung, dass Lachgas trotz positiver Bildungsenthalpie bei Raumtemperatur beständig ist.
  4. Beurteilen Sie die Aussage: „Weil der Zerfall von Lachgas stark exotherm ist, sind Sahnekapseln gefährlich instabil.“

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Die Produkte sind Elemente im Standardzustand.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Rückreaktion startet beim Produkt-Niveau.
Hinweis zu Aufgabe c)
Unterscheiden Sie energetische Lage und Energiebarriere.
Hinweis zu Aufgabe d)
Prüfen Sie, welche Größe über die Stabilität bei Raumtemperatur entscheidet — und unter welchen Bedingungen doch Gefahr besteht.Beurteilen: begründetes Urteil mit Fachwissen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\Delta_r H^\circ = 0 - 2\cdot(+82{,}1) = -164{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Der Zerfall ist exotherm.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(E_A(\text{rück}) = E_A(\text{hin}) - \Delta_r H = 250 - (-164{,}2) = 414{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Abstand Produkt-Niveau bis Maximum).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die positive Bildungsenthalpie zeigt, dass Lachgas energiereicher ist als seine Elemente; der Zerfall ist exotherm. Die Aktivierungsenergie von rund 250 kJ/mol ist aber so hoch, dass bei Raumtemperatur praktisch kein Teilchen sie erreicht. Lachgas ist kinetisch gehemmt, also metastabil — erst oberhalb von etwa 600 °C erreichen genügend Teilchen die Barriere.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist nicht haltbar: Ob ein Stoff bei Raumtemperatur zerfällt, entscheidet die Aktivierungsenergie, nicht die Reaktionsenthalpie. Wegen der hohen Barriere ist Lachgas in Kapseln unter normalen Bedingungen beständig. Richtig ist aber: Wird die Barriere überwunden (starkes Erhitzen, Feuer), zerfällt es exotherm und setzt Sauerstoff frei, der Brände fördert. Kapseln dürfen deshalb nicht erhitzt werden. Ein Urteil: „instabil“ ist falsch, „unter Hitze gefährlich“ ist richtig.