Angenommen, ich nehme etwas Wasserstoffgas (H2) und mische es mit Sauerstoffgas (O2). Was passiert? Nichts. Nichts passiert, es sei denn, man fügt ein bisschen Energie hinzu – vielleicht durch einen Funken. Fügen Sie Energie hinzu und BOOM: Sie erhalten eine Explosion, und der Wasserstoff und der Sauerstoff (ein Teil davon) bilden Wasser (H2O). Natürlich setzt diese Reaktion Energie frei, aber woher kommt die Energie?
Hier ist eine überraschend häufige Antwort:
„Die Energie ist in den chemischen Bindungen gespeichert. Wenn man die Bindungen aufbricht, erhält man Energie.“
Wie Derek Muller (von Veritasium) anmerkt, ist diese Vorstellung von Energie, die in den chemischen Bindungen gespeichert ist, sehr falsch. Um ein besseres Verständnis der Energie in chemischen Bindungen zu bekommen, betrachten wir ein vereinfachtes Modell.
Atomisches Bindungsmodell
Wenn ein Wasserstoffatom mit einem anderen Wasserstoffatom wechselwirkt, um molekularen Wasserstoff (H2) zu bilden, gehen viele Dinge vor sich. Eine der grundlegenden Wechselwirkungen ist jedoch die elektrostatische Kraft zwischen Protonen und Elektronen. Ja, es gibt auch quantenmechanische Effekte – aber lassen Sie mich bei einem einfachen Modell bleiben. In diesem Modell habe ich zwei Wasserstoffatome, die eine Art von elektrischer Kraft erfahren, die sie anzieht. Wenn sie sich sehr nahe kommen, gibt es eine weitere Kraft, die die beiden Atome abstößt. Um die Dinge ruhig zu halten, füge ich eine Widerstandskraft hinzu. Hier ist, wie es aussieht, wenn diese beiden Atome interagieren.
Was sollten Sie bemerken?
- Es gibt eine Anziehungskraft zwischen den beiden Atomen.
- Bei Annäherung steigt die kinetische Energie der beiden Atome.
- Es gibt etwas, das verhindert, dass die beiden Atome zusammenstoßen.
- Die Atome schwingen nicht weiter, weil sie Energie verlieren (das wäre wie eine Erwärmung der Umgebung).
- Wasserstoffatome sind gelb (aber das hättest du schon wissen müssen).
Wenn Sie sich dieses System in Form von Energie vorstellen wollen, könnte es nützlich sein, sich eine Skizze der potentiellen Energie für diese beiden Wasserstoffatome anzusehen. Es würde ungefähr so aussehen (nur eine Skizze).
Wir können uns die Wasserstoffatome wie eine Kugel vorstellen, die auf einem Hügel rollt, der die Form der Potentialkurve hat. Sie können sehen, dass sie an Geschwindigkeit zunehmen würde, wenn sie den Hügel hinuntergeht, dann langsamer wird und sich zurückbewegt, wenn sie den „Hügel“ hinaufgeht. Aber hier ist der wichtige Punkt: Wenn die Kugel am unteren Ende der Kurve wäre, müssten Sie Energie hinzufügen, um sie den Hügel hinauf zu bewegen. Sie müssten Energie hinzufügen, um diese chemische Bindung zu brechen.
Woher kommt die Energie?
Zurück zum Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn Sie diese Reaktion in Gang bringen, erhalten Sie tatsächlich eine Menge Energie. Aber diese Energie kommt nicht aus der Wasserstoff-Wasserstoff-Bindung und auch nicht aus der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung. Die Energie kommt von der Bildung der Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen im Wasser. Vielleicht hilft eine weitere Energieskizze. Nehmen wir an, ich stelle die Energie der Gase und des Wassers wie folgt dar:
Den Ball in den unteren Teil der Kurve (den Wasserteil) zu bewegen, erfordert ein wenig Energie, aber man bekommt eine Menge zurück. Aber es ist immer noch keine Energie in den Bindungen des Wassers gespeichert. Stattdessen erhält man Energie, indem man die Bindung bildet.
Ein anderes Molekülmodell
Die Verwirrung über Energie in chemischen Bindungen ist ein Teil des Grundes, warum Derek Muller an einem neuen Molekülmodell arbeitet – den Snatoms.
Sie erinnern sich wahrscheinlich an die Kugel- und Stabmolekülmodelle aus der Schule. Die Snatoms sind ähnlich, aber anstelle von Stöcken verwenden sie Magnete. Es gibt zwei Vorteile von magnetischen Verbindungen. Erstens lassen sie sich schneller zusammenbauen, da die Atome zusammenschnappen. Zweitens (und noch wichtiger) können die Schüler spüren, dass eine Kraft die Atome zusammenzieht. Sie können auch die Kraft spüren, die nötig ist, um sie wieder auseinander zu ziehen. Dies hilft dabei, die Idee zu entwickeln, dass es Energie braucht, um Bindungen zu brechen.
Natürlich sind die Snatoms immer noch nur ein Modell. Sie repräsentieren nicht alles über Moleküle, aber zumindest sollten sie bei der Sache mit den Energiebindungen helfen.