Warum brennt ein Streichholz erst, wenn man es anreißt — obwohl die Reaktion doch Energie freisetzt?
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Das Energiediagramm in Worten
AFB I
Geben Sie die fehlenden Fachbegriffe an — ein Wort bleibt übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Damit Teilchen reagieren, müssen sie eine Mindestenergie aufbringen, die . Im Energiediagramm durchlaufen sie dabei den , der am der Kurve liegt. Der Höhenunterschied zwischen Edukten und Produkten ist die . Bei vielen exothermen Reaktionen liefert eine die Energie für die ersten Teilchen.
„Katalysator“ bleibt übrig — er gehört zum nächsten Unterkapitel. Hier geht es nur um die Energiebarriere selbst und darum, dass auch exotherme Reaktionen einen Anstoß brauchen.
Das Maximum der Kurve markiert den energiereichsten Punkt des Reaktionswegs.
Streichholz anreißen, Funke, Flamme — so nennt man den Anstoß.
A2
Exotherm, aber nicht von selbst
AFB I
Nennen Sie alle Reaktionen, die zwar exotherm sind, bei Raumtemperatur aber erst nach einem Anstoß (Zündung, Funke, Erhitzen) ablaufen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Reaktionen zwischen Ionen in Lösung haben sehr kleine Aktivierungsenergien und laufen sofort ab. Kalkbrennen ist endotherm — es braucht nicht nur einen Anstoß, sondern ständige Energiezufuhr. Die drei richtigen Beispiele sind metastabil: energiereich, aber gehemmt.
Zwei Reaktionen laufen beim Zusammengießen sofort ab.
Eine Reaktion ist gar nicht exotherm.
A3
Strecken im Energiediagramm
AFB I
Ordnen Sie jeder Stelle im Energiediagramm einer Reaktion die passende Bedeutung zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Die Rückreaktion startet bei den Produkten; ihre Barriere reicht deshalb vom Produkt-Niveau bis zum selben Maximum. Das Maximum ist kein Stoff, den man isolieren könnte, sondern ein kurzlebiger Übergangszustand.
Die Hinreaktion startet links, die Rückreaktion rechts.
Beide Reaktionen müssen über dasselbe Maximum.
A4
Aus dem Diagramm ablesen
AFB II
Bestimmen Sie aus dem Energiediagramm die Aktivierungsenergie der Hin- und der Rückreaktion sowie die Reaktionsenthalpie.
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Größe
Wert in kJ/mol
\(E_A\) (Hinreaktion)
\(\Delta_r H\)
\(E_A\) (Rückreaktion)
Hin: von 0 auf 120 kJ/mol. \(\Delta_r H = -90 - 0 = -90\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (exotherm). Rück: von −90 auf +120, also 210 kJ/mol. Allgemein: \(E_A(\text{rück}) = E_A(\text{hin}) - \Delta_r H\).
Lesen Sie die drei Niveaus (Edukte, Maximum, Produkte) an der Achse ab.
Die Rückreaktion beginnt bei −90 kJ/mol.
A5
Wie ein Streichholz zündet
AFB II
Beschreiben Sie die Vorgänge beim Anreißen eines Streichholzes, indem Sie sie ordnen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Reibung an der Reibfläche erwärmt den Zündkopf
2Einige Teilchen erreichen die Aktivierungsenergie und reagieren
3Die Reaktion setzt Energie frei
4Die freigesetzte Energie aktiviert benachbarte Teilchen
5Die Reaktion läuft selbstständig weiter, bis der Brennstoff verbraucht ist
Der entscheidende Schritt ist der vierte: Bei einer exothermen Reaktion liefert jede reagierende Portion die Aktivierungsenergie für die nächste. Deshalb genügt ein einmaliger Anstoß — bei endothermen Reaktionen dagegen nicht.
Am Anfang steht eine Energiezufuhr von außen.
Warum muss man das Streichholz nur einmal anreißen?
A6
Eisen und Schwefel
MixAFB II
Ein Gemisch aus 5,6 g Eisenpulver und Schwefel im Überschuss wird mit einem glühenden Glasstab gezündet und glüht danach von selbst durch: \(\ce{Fe(s) + S(s) -> FeS(s)}\), \(\Delta_f H^\circ(\ce{FeS}) = -100{,}0\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Ermitteln Sie die frei werdende Wärme (\(M(\ce{Fe}) = 55{,}85\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
\(\Delta_r H^\circ\) der ReaktionkJ/mol
Stoffmenge Eisenmol
frei werdende Wärme (Betrag)kJ
Die Gleichung ist zugleich die Bildungsgleichung von FeS, also \(\Delta_r H^\circ = \Delta_f H^\circ\). 0,100 mol Eisen liefern 10,0 kJ. Der glühende Stab liefert nur die Aktivierungsenergie für die ersten Teilchen — die übrige Energie stammt aus der Reaktion selbst.
Eisen und Schwefel sind Elemente im Standardzustand.
\(n = m/M\), dann mit \(|\Delta_r H^\circ|\) multiplizieren.
A7
Gehemmt, spontan oder energiehungrig?
AFB II
Ordnen Sie die Vorgänge ein.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1metastabil (gehemmt)
2läuft bei Raumtemperatur sofort ab
3braucht ständige Energiezufuhr
Metastabile Systeme sind exotherm, aber durch eine hohe Aktivierungsenergie gehemmt. Endotherme Vorgänge kommen ohne dauernde Energiezufuhr zum Stillstand, weil sie die Energie für die nächsten Teilchen nicht selbst liefern.
Exotherm und gehemmt ↔ metastabil.
Endotherme Vorgänge liefern sich ihre Aktivierungsenergie nicht selbst.
A8
Trickaufgabe: Die kleine Rückbarriere
TrickAFB III
Eine endotherme Reaktion hat \(E_A(\text{hin}) = 60\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) und \(\Delta_r H = +45\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Leiten Sie aus dem Energiediagramm die Aktivierungsenergie der Rückreaktion her.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
kJ/mol
Die Produkte liegen 45 kJ/mol über den Edukten, das Maximum 60 kJ/mol über den Edukten. Von den Produkten bis zum Maximum sind es also nur \(60 - 45 = 15\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Falle: 105 kJ/mol — das gilt nur für eine exotherme Reaktion mit \(\Delta_r H = -45\).
Skizzieren Sie das Diagramm: Wo liegen die Produkte bei einer endothermen Reaktion?
Sechs Sätze aus einem Heft — drei davon sind falsch. Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Energiebilanz (\(\Delta_r H\)) und Energiebarriere (\(E_A\)) sind zwei verschiedene Größen: Die eine entscheidet, wie viel Energie frei wird, die andere, wie leicht die Reaktion startet.
Denken Sie an Knallgas: stark exotherm, aber ohne Funke stabil.
Ein Zwischenprodukt läge in einer Mulde, nicht auf einem Gipfel.
A10
Behauptungen auf dem Prüfstand
AFB III
Beurteilen Sie jede Behauptung.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Alle fünf Behauptungen trennen Energiebilanz und Energiebarriere. Wer beide sauber unterscheidet, löst auch die typischen Klausurfragen zu metastabilen Systemen.
Unterscheiden Sie zwischen „wie viel“ (ΔrH) und „wie leicht“ (E_A).
Temperatur verändert die Teilchen, nicht die Barriere.
