Chemische Energie

Grundidee der chemischen Energie

Chemische Energie ist Energie, die in einer chemischen Verbindung eines Energieträgers gespeichert ist und bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden kann. Sie ist beispielsweise in Erdöl enthalten, das die Grundlage für Benzine, Diesel und weitere Ölprodukte ist, oder in Saccharose, einem Mehrfachzucker wie Würfelzucker.

Makroskopisch beschreibt der Ausdruck die Energie, die mit elektrischen Kräften in Atomen und Molekülen verbunden ist, soweit sie sich bei chemischen Reaktionen auswirkt. Sie umfasst die kinetische Energie der Elektronen sowie die potentielle Energie der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomkernen. Chemische Energie gehört wie thermische Energie und Kernenergie zur inneren Energie.

Begriff und Abgrenzung

In der Fachwissenschaft Chemie wird der Ausdruck „chemische Energie“ nicht verwendet, weil er nur zusammen mit den Umgebungsbedingungen eindeutig definiert ist. Häufig ist damit die bei einer Verbrennung eines Stoffes bei konstantem Druck freiwerdende Energie gemeint: die Verbrennungsenthalpie.

Mit dem Satz von Hess lassen sich Energien chemischer Reaktionen aus den genau definierten Bildungsenthalpien der beteiligten Verbindungen berechnen. Heizwert und Brennwert sind ähnliche Begriffe; sie geben die bei einer Verbrennung höchstens nutzbare Wärmemenge an.

Chemische Energie ist nicht dasselbe wie chemische Bindungsenergie. Die Bindungsenergie beschreibt die Stärke einer bestimmten chemischen Bindung, also die Energie, die dem Molekül zum Auflösen der Bindung zugeführt werden muss (Aktivierungsenergie). Außerhalb der Chemie, etwa in Ingenieurwissenschaften, Lehrwerken und Didaktik, wird „chemische Energie“ dennoch oft als teilweise unscharfer Orientierungsbegriff verwendet.

Umwandlung in Technik und Lebewesen

In technischen Systemen ist chemische Energie in Treibstoffen gespeichert. Bei der Verbrennung, zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen, wird sie zunächst in thermische Energie und anschließend im Motor in mechanische Energie umgewandelt. Brennstoffzellen wandeln die chemische Reaktionsenergie einer Verbrennung direkt in elektrische Energie um. Auch Batterien wandeln chemische Energie durch elektrochemische Redoxreaktionen unmittelbar in elektrische Energie. Ein Akkumulator arbeitet bei der Energieabgabe ähnlich wie eine Batterie, kann aber umgekehrt elektrische Energie in chemische Energie umwandeln und speichern.

In biologischen Systemen ist chemische Energie in organischer Nahrung gespeichert. Sie wird in ATP-Moleküle umgewandelt, die als Energieträger dienen. ATP ermöglicht Zellen chemische, osmotische und mechanische Arbeit. Grüne Pflanzen gewinnen ihre chemische Energie nicht aus organischer Nahrung, sondern aus dem Energiegehalt der Sonnenstrahlung. Manche Bakterien nutzen dafür die Oxidationsenergie reduzierter Verbindungen, beispielsweise Fe²⁺ oder CH₄.