Was ist eine exotherme Reaktion?

Gerald R. Van Hecke, Professor für Chemie am Harvey Mudd College, gibt folgende Antwort:

Wir alle wissen zu schätzen, dass Wasser nicht spontan bei Raumtemperatur kocht, sondern wir müssen es erhitzen., Weil wir Wärme hinzufügen müssen, ist kochendes Wasser ein Prozess, den Chemiker endotherm nennen. Wenn einige Prozesse Wärme benötigen, müssen andere natürlich Wärme abgeben, wenn sie stattfinden. Diese werden als exotherm bezeichnet. Für die Zwecke dieser Diskussion sind Prozesse, die Wärme benötigen oder abgeben, auf Zustandsänderungen beschränkt, die als Phasenänderungen und Änderungen der chemischen Konstitution oder chemische Reaktionen bezeichnet werden.

Zustandsänderungen beinhalten ein festes Schmelzen, ein flüssiges Gefrieren, ein flüssiges Sieden oder eine Gaskondensation. Wenn Dampf, der gasförmiges Wasser ist, kondensiert, wird Wärme freigesetzt., Ebenso wird Wärme abgegeben, wenn flüssiges Wasser gefriert. Tatsächlich muss die Wärme ständig aus dem Gefrierwasser entfernt werden, sonst stoppt der Gefriervorgang. Unsere Erfahrung macht es uns leicht zu erkennen, dass zum Kochen von Wasser oder Flüssigkeiten und damit zur Umwandlung in ein Gas Wärme benötigt wird und der Prozess endotherm ist. Es ist weniger intuitiv zu verstehen, dass, wenn ein Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert, Wärme abgegeben wird und der Prozess exotherm ist.

Vielleicht ist es einfacher, eine exotherme Phasenänderung mit dem folgenden Argument zu erklären., Flüssiges Wasser musste Energie hineingeben, um Dampf zu werden, und diese Energie geht nicht verloren. Stattdessen wird es von den gasförmigen Wassermolekülen zurückgehalten. Wenn diese Moleküle kondensieren, um wieder flüssiges Wasser zu bilden, muss die in das System eingegebene Energie freigesetzt werden. Und diese gespeicherte Energie wird als exotherme Wärme abgegeben. Das gleiche Argument kann für den Prozess des Einfrierens angeführt werden: Energie wird während des Schmelzens in eine Flüssigkeit gegeben, so dass das Einfrieren der Flüssigkeit in einen Feststoff diese Energie wieder in die Umgebung zurückgibt.

Wie Phasenveränderungen können chemische Reaktionen bei der Anwendung oder Freisetzung von Wärme auftreten., Diejenigen, die Wärme benötigen, werden als endotherm beschrieben, und diejenigen, die Wärme als exotherm abgeben. Obwohl wir mit endothermen Phasenveränderungen im Allgemeinen ziemlich vertraut sind, sind wir wahrscheinlich noch besser mit exothermen chemischen Reaktionen vertraut: Fast jeder hat die Wärme eines Kamins oder Lagerfeuers erlebt. Das Verbrennen von Holz liefert Wärme durch die exotherme chemische Reaktion von Sauerstoff (O) mit Cellulose (C6H10O5), der wichtigsten chemischen Komponente von Holz, um Kohlendioxid (CO2), Dampf (H2O) und Wärme zu erzeugen., Die den Prozess beschreibende chemische Reaktion ist C6H10O5 + 6O2 = 6CO2 + 5H2O + Wärme.

Im heutigen Weltraumzeitalter hat wahrscheinlich jeder einen Raketenstart im Fernsehen oder, wenn er Glück hat, persönlich gesehen. Was diese Raketen antreibt, sind hochexotherme chemische Reaktionen. Ein Raketentreibstoff verwendet eine Mischung aus festem Ammoniumperchlorat (NH4ClO4) und Aluminiummetall (Al), um ein festes Aluminiumoxid, Salzsäuregas, Dinitrogengas, Dampf und Wärme zu erzeugen: Die chemische Reaktion kann als 6NH4ClO4 + 10Al = 5Al2O3 + 6HCl + 3N2 + 9H2O + Wärme beschrieben werden.,

Die großen weißen Wolkenbögen hinter gestarteten Raketen sind wirklich die Produktgase, die das weiße Aluminiumoxidpulver dispergieren. Woher kommt die exotherme Wärmeenergie? Die Wärme kommt von der Energie, die in den chemischen Bindungen der Reaktantenmoleküle gespeichert ist-was größer ist als die Energie, die in den chemischen Bindungen der Produktmoleküle gespeichert ist. Bei endothermen chemischen Reaktionen ist die Situation umgekehrt: In den Bindungen der Produktmoleküle wird mehr chemische Energie gespeichert als in den Bindungen der Reaktantenmoleküle.