Manche Menschen leiden häufig an Rückenschmerzen. Ein Wärmepflaster kann durch die freiwerdende Wärme die Schmerzen lindern. Doch warum wird das Wärmepflaster überhaupt warm? Und warum wird es erst warm, wenn man es auspackt?
Exotherme Reaktionen
Joachim Herz Stiftung
Bei einem Blick auf die Verpackung fällt auf, dass alle Wärmepflaster Eisen, Aktivkohle und Wasser enthalten. Zunächst schauen wir uns die Reaktion ohne Aktivkohle an. Sobald das Wärmepflaster ausgepackt wird, kommt es mit Sauerstoff aus der Luft in Kontakt und die chemische Reaktion zwischen Eisen, Sauerstoff und Wasser beginnt. Dabei bildet sich Rost und das Pflaster wird warm (Abb. 1).
Bei Wärme wird die innere Energie eines Stoffes freigesetzt
Daran, dass es warm wird, erkennst du, dass Energie freigesetzt wird. Chemische Reaktionen bei denen Energie freigesetzt wird heißen exotherme Reaktionen. Doch wo kommt diese Energie her? Dazu musst du wissen, dass in allen Stoffen eine bestimmte Energiemenge enthalten ist – die innere Energie. Wird bei einer chemischen Reaktion Energie frei, so wird ein Teil der inneren Energie in thermische Energie umgewandelt. Das kannst du dann an der steigenden Temperatur beobachten. Dementsprechend ist die innere Energie der Ausgangsstoffe höher als die innere Energie der Reaktionsprodukte. Im Energiediagramm (Abb. 2) kannst du die messbar freiwerdende Energie (Reaktionsenergie) genau zwischen den beiden inneren Energien ablesen. Der Pfeil zeigt im Energiediagramm nach unten, was bedeutet, dass diese Energie freigesetzt wird.
Doch bevor die Energie freigesetzt wird, muss in den meisten Fällen zuerst Energie aufgewendet werden, um die Reaktion zu starten. Wird nicht genügend Energie aufgewendet, kann die Reaktion nicht stattfinden. Sehr deutlich wird dieses Phänomen am Beispiel der Verbrennung. Holz verbrennt nicht einfach, sondern du musst beispielsweise mit einem Feuerzeug ausreichend thermische Energie zuführen, damit die Verbrennung startet. Im Fall des Wärmepflasters reicht die thermische Energie aus der Umgebung aus, um die Reaktion in Gang zu setzen.
Den Verlauf im Energiediagramm kannst du dir folgendermaßen vorstellen: Du möchtest mit deinem Schlitten an das andere Ende des Berges fahren, wobei die innere Energie der Ausgangsstoffe der Start ist, und die innere Energie der Reaktionsprodukte das Ziel (Abb. 3). Du musst erst Energie aufwenden, um auf den höchsten Punkt des Berges zu kommen. Wenn du vor dem höchsten Punkt stehen bleibst, kannst du mit deinem Schlitten nur zum Start zurück fahren und nicht zu deinem gewünschten Ziel.
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Die Energie, die man zunächst aufwenden muss, nennt man Aktivierungsenergie. Im Energiediagramm (Abb. 4) kannst du die Aktivierungsenergie an dem kleinen Hügel am Anfang sehen. Der Pfeil zeigt im Energiediagramm nach oben, was bedeutet, dass diese Energie aufgewendet wird.
Katalysator
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Im Wärmepflaster ist neben Eisenpulver und Wasser auch Aktivkohle enthalten. Doch was ist die Funktion der Aktivkohle, wenn die Reaktion auch ohne sie abläuft? Dazu schauen wir uns die gleiche Reaktion nochmal mit Aktivkohle an. Wieder reagiert Eisen mit Sauerstoff und Wasser, allerdings steigt die Temperatur jetzt deutlich schneller an (Abb. 5).
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Die Aktivkohle ist ein sogenannter Katalysator. Sie sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie herabgesetzt wird, wodurch die Reaktion deutlich schneller verläuft (Abb. 6). Die Reaktionsenergie bleibt aber insgesamt über den gesamten Reaktionsverlauf gleich, das heißt in beiden Varianten wird gleich viel thermische Energie an die Umgebung abgegeben. Ein Katalysator geht selbst unverändert aus der Reaktion hervor, das heißt die gesamte Aktivkohle ist nach der Reaktion noch unverändert vorhanden.
Endotherme Reaktion
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Nicht bei allen chemischen Reaktionen wird Energie frei. Stell dir vor, beim Sportfest verletzt sich jemand am Knöchel. Der Knöchel soll schnell gekühlt werden, aber es gibt kein Eis. Für diesen Fall haben die Sportlehrkräfte mit Kältepacks vorgesorgt. Kältepacks haben den Vorteil, dass sie nicht gekühlt werden müssen. Die bestehen aus zwei Stoffen, die in unterschiedlichen Kammern gelagert sind. Werden diese zwei Stoffe durchmischt, fängt die chemische Reaktion der Stoffe an. Für diese Reaktion wird Energie benötigt, die der Umwelt entzogen wird. Du spürst diesen Vorgang daran, dass das Kältepack eiskalt wird.
Schauen wir uns als anderes Beispiel die Reaktion zwischen Bariumhydroxid und Ammoniumthiocyanat an. Bei der Reaktion entstehen unter anderem eine Flüssigkeit (Wasser) und ein stechend riechender Stoff (Ammoniak) und es wird kalt (Abb. 7).
Daran, dass es kalt wird, erkennst du, dass thermische Energie aus der Umgebung aufgewendet wird und in innere Energie umgewandelt wird. Dementsprechend ist die innere Energie der Reaktionsprodukte höher als die innere Energie der Ausgangsstoffe. Im Energiediagramm kannst du die messbar aufgewendete Energie (Reaktionsenergie) wieder genau zwischen den beiden inneren Energien ablesen (Abb 8).
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Auch bei endothermen Reaktionen muss zunächst die Aktivierungsenergie aufgewendet werden. Das ist in diesem Beispiel wieder thermische Energie aus der Umgebung. Ein Teil dieser aufgewendeten Energie wird anschließend wieder freigesetzt, was du im Energiediagramm daran siehst, dass die Energie nach dem höchsten Punkt wieder ein Stück nach unten geht (Abb. 9). Insgesamt wird aber mehr Energie aufgewendet als freigesetzt wird. Wir nennen solche Reaktionen endotherme Reaktionen.
Eine endotherme Reaktion, die du aus dem Alltag kennst, ist das Kuchenbacken. Hier reicht die thermische Energie aus der Umgebung nicht aus. Erst bei den hohen Temperaturen im Ofen kann die Reaktion ablaufen. Sobald du den Kuchen aus dem Ofen nimmst, wird der Backprozess unterbrochen. Bei endothermen Reaktionen muss also während der gesamten Reaktion Energie zugeführt werden.
Endotherme Reaktionen können ebenfalls katalysiert werden. Dabei wird ebenfalls die Aktivierungsenergie herabgesetzt, wodurch die Reaktion schneller abläuft. Auch in diesem Fall bleibt die Reaktionsenergie gleich.
Energieformen
Früher dachte man, dass bei chemischen Reaktionen immer thermische Energie freigesetzt oder aufgewendet wird, weshalb man von exo- und endothermen Reaktionen sprach. Mittlerweile wissen wir jedoch, dass auch Strahlungsenergie oder elektrische Energie freigesetzt oder aufgewendet werden können. Bei der Fotosynthese handelt es sich beispielsweise um eine endotherme Reaktion, bei der Strahlungsenergie von der Sonne in innere Energie umgewandelt wird. In einer Batterie läuft eine exotherme Reaktion ab, bei der innere Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Zusammenfassung
Wird bei chemischen Reaktionen Energie freigesetzt, sprechen wir von einer exothermen Reaktion. Wird hingegen Energie aufgewendet, sprechen wir von einer endothermen Reaktion. Bei allen Reaktionen muss Aktivierungsenergie aufgewendet werden, um sie zu starten. Mit einem Katalysator kann die Aktivierungsenergie herabgesetzt werden, wodurch die Reaktion beschleunigt wird.