Ist die vollständige Verbrennung eines Alkans exotherm und warum?
Danke schonmal
5 Antworten
In Alkanen bestehen Bindungen zwischen C und C und zwischen C und H. Die sind völlig bzw. nahezu unpolar.
Unpolare Bindungen sind allgemein schwächer als polare. Werden sie also getrennt (und ohne das gehts nicht) und stark polare gebildet (CO2 und H2O), dann wird mehr Energie dabei frei als vorher aufgewendet.
Moin,
bei einer vollständigen Verbrennung von Alkanen reagieren die Alkanmoleküle mit Sauerstoffmolekülen und bilden Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dazu müssen die Bindungen, die in den Alkanmolekülen und in den Sauerstoffmolekülen vorhanden sind getrennt werden, damit neue Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen auf der einen Seite mit den Sauerstoffatomen auf der anderen Seite geknüpft werden können.
Nun haben Bindungen zwischen Atomen einen gewissen Energiegehalt. Wenn du so willst ist das chemisch gebundene Energie. Die ist nicht immer gleich groß. Die C–C-Bindung hat beispielsweise einen Energiegehalt von 348 kJ/mol. Eine C–H-Bindung hat einen Energiegehalt von 413 kJ/mol und eine O=O-Doppelbindung weist eine Bindungsenergie von 498 kJ/mol auf.
Die Bindungsenergie einer H–O-Bindung beträgt 463 kJ/mol, die einer C=O-Doppelbindung 745 kJ/mol.
Wenn du jetzt ein Alkan vollständig verbrennst (mit Sauerstoff reagieren lässt), dann müssen die Energiebeträge zum Aufbrechen der vorhandenen Bindungen aufgebracht werden, während die Energibeträge bei einer Neubildung einer Bindung freigesetzt werden.
Schauen wir uns ein Beispiel an: Propan soll vollständig verbrennen. Die Reaktionsgleichung dazu lautet
H3C–CH2–CH3 + 5 O2 ---> 3 CO2 + 4 H2O
Betrachtest du von dieser Reaktion die Lewisformeln (um die jeweiligen Bindungen sehen zu können), sieht das so aus:
H H H
I I I
H–C–C–C–H + 5 O=O ---> 3 O=C=O + 4 H–O–H
I I I
H H H
Das zeigt, dass du 8 x eine C–H-Bindung aufbrechen musst + 2 x eine C–C-Bindung + 5 x eine O=O-Doppelbindung. Um das zu schaffen, benötigst du also
8 x 413 kJ/mol = 3304 kJ/mol,2 x 348 kJ/mol = 696 kJ/mol und5 x 498 kJ/mol = 2490 kJ/mol.Macht zusammen: 6490 kJ/mol. Das ist die Energie, die bei der Reaktion aufgewendet werden muss, um die vorhandenen Bindungen aufzubrechen.
Wenn die neuen Bindungen geknüpft werden, wird dafür Energie frei gesetzt. Im konkreten Fall erhältst du also
3 x 2 C=O-Doppelbindungen + 4 x 2 H–O-Bindungen. Das macht
6 x 745 kJ/mol = 4470 kJ/mol und
8 x 463 kJ/mol = 3704 kJ/mol.
Das macht zusammen 8174 kJ/mol.
Und wenn du jetzt die beiden Energiewerte miteinander vergleichst, stellst du fest, dass du 6490 kJ/mol an Energie aufwenden musst, um die alten Bindungen zu trennen, aber 8174 kJ/mol an Energie herausbekommst, wenn sich die neuen Bindungen ausbilden. Das heißt, es werden pro Mol 1684 kJ Bindungsenergie freigesetzt. Wenn aber Energie frei gesetzt wird, nennt man den Vorgang exotherm.
In diesem Fall kommt übrigens noch hinzu, dass auch die Molekülanzahl steigt, weil du auf der Seite der Edukte (Ausgangsstoffe) 1 x Propan + 5 x Sauerstoffmoleküle, also zusammen 6 Moleküle hast, während es auf der Seite der Produkte 3 Kohlenstoffdioxidmoleküle + 4 Wassermoleküle, also 7 Moleküle insgesamt gibt. Die Zunahme der Molekülanzahl führt dazu, dass sich nach der Reaktion mehr Teilchen unabhängig voneinander bewegen können. Das erhöht die Unordnung (Entropie) des Systems. Da jedes System nach einer möglichst großen Entropie strebt, steigt auch hier der frei werdende Energiewert, so dass du zusammenfassend feststellen kannst, dass es sich um einen exergonischen Vorgang handelt.
Langer Rede kurzer Sinn: Es handelt sich um eine exotherme Reaktion, weil mehr Energie bei den Neuknüpfungen der Bindungen in den Produkten frei gesetzt wird, als du bei den Edukten aufwenden musst, um die alten Bindungen aufzubrechen.
Nun könntest du noch fragen, warum die jeweiligen Bindungen so unterschiedliche Energiewerte haben, aber dazu hat PFromage bereits geschrieben, dass unpolare Bindungen im Allgemeinen schwächer (energieärmer) sind als polare. Unter Polarität einer Bindung versteht man, wie stark das bindende Elektronenpaar zu einem der beiden Bindungspartner hin verschoben ist. Oder anders gesagt: Wie stark "ziehen" die Bindungspartner an dem bindenden Elektronenpaar. Ein relatives Maß für die Stärke, mit der ein Atomrumpf an einem bindenden Elektronenpaar ziehen kann, bezeichnet man als Elektronegativität. Sauerstoff kann ziemlich stark bindende Elektronenpaare zu sich heran ziehen (er hat eine große Elektronegativität), während die Elektronegativitäten von Kohlenstoff und Wasserstoff ziemlich ähnlich sind und auf jeden Fall kleiner als die vom Sauerstoff.
Und hier hast du auch eine "Triebfeder" für diese Reaktion. In den Sauerstoffmolekülen O=O ziehen beide Sauerstoffatome an den bindenden Elektronenpaaren gleich stark. Deshalb ist diese Doppelbindung völlig unpolar. Aber sowohl in den geknüpften C=O-Doppelbindungen als auch in den H–O-Bindungen entstehen polare Atombindungen. Diese führen beim Sauerstoff, der Elektronen "liebt", zu einem weitaus günstigeren Zustand.
Ich hoffe, das war alles war verständlich...
LG von der Waterkant.
Ja.
Die Verbrennungswärmen von Kohlenstoff und Wasserstoff sind so groß, dass die Energie, die gebraucht wird, um die C-C- und C-H-Bindungen zu sprengen, kaum ins Gewicht fällt.
Du verbrennst den Kohlenstoff und den Wasserstoff, die in einem Alkan (= Kohlenwasserstoff ) stecken, mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. Man spricht von der Verbrennungswärme des Kohlenstoffs (bzw. des Wasserstoffs) und nicht von der Entstehungswärme des Kohlendioxids (bzw. Wassers).
In einem Alkan sind Kohlenstoffatome aneinander und Wasserstoffatome an Kohlenstoffatome gebunden, dabei ist Bindungsenergie frei geworden, die Du mit der Verbrennungsenergie wieder zuführen musst, um die Bindungen zu trennen.
Mit "sprengen" meinte ich weder den Rasen zu wässern noch Dynamit zu benutzen, sondern genug Energie in kurzer Zeit aufzubringen, damit die Verbrennung kontinuierlich abläuft. ;-)
Sorry, wenn ich nerve, aber warum ist denn Bindungsenergie frei geworden und warum muss ich diese mit der Verbrennungsenergie zuführen? Also der 2. Abschnitt
Warum muss ich überhaupt die Bindungen trennen? Was ist nochmal genau das Ziel? Ich bin irgendwie verwirrt.. Geht das nicht einfacher?
Danke für Deine Zeit und Mühe :)
Na, das war wohl gestern etwas spät.
Mal kurz zusammengefasst:
Ein Alkan besteht aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen;
das ist aber kein loser Haufen, sonst würde da irgendwo ein Stück Kohle rumliegen und der Wasserstoff würde sich als Gas verflüchtigen. Die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome sind eine chemische Bindung eingegangen und bilden also ein stablies Alkan-Molekül. Bei der Bildung des Alkan-Moleküls ist Energie frei geworden, die Bindungsenergie (genauer: die Summe aller Bindungsenergien im Molekül).
Wenn Du aus dem Alkan-Molekül andere Moleküle machen willst, musst Du diese chemischen Bindungen wieder lösen und dafür brauchst Du eben Energie.
Aus den nun wieder freien Atomen baust Du das oder die nächsten Moleküle auf und bekommst bei der Bildung der neuen chemischen Bindungen deren Bindungsenergie hraus.
Wenn bei der Bildung der neuen Moleküle mehr Energie herausbekommst, als Du für die Lösung der alten Bindungen verbraucht hast, nennt man diese (Gesamt-)Reaktion exotherm.
Wenn bei einer Reaktion ein Reaktionspartner Sauerstoff ist und das ganze mit Feuererscheinungen und starker Energieabgabe abläuft, ist das eine Verbrennung.
Wo die Bindungsenergien herkommen, hat PFromage in seinem Beitrag gebracht und Bevarian hat ein schönes Beispiel aus der Praxis angeführt: den Verbrennungsmotor!
Ist exotherm. Das erkennt man auch an der flammenerscheinung, die ja letztendlich freiwerdende Energie is
Weil sonst ein schöner 4,2 l- V8 Motor total nutzlos wäre... ;)))
Danke, aber was heißt das genau? Ich meine, was für eine Energie wird frei? Und wieso genau Kohlenstoff und Wasserstoff und nicht Wasser und Kohlenstoffdioxid, zu denen Alkane ja normalerweise verbrennen. Und wieso sprengen, was ist damit gemeint?