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■ Das Wichtigste in Kürze: (a) Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. (b) Die Gesamtenergie eines Teilchens ist die Summe seiner potenziellen und kinetischen Energien. Die kinetische Energie ist die Energie, die ein System aufgrund seiner Bewegung besitzt; die potenzielle Energie (oder Lageenergie) ist die Energie, die ein System aufgrund seiner Lage oder Position besitzt. (c) Die potenzielle Energie der Coulomb-Wechselwirkung zweier Teilchen in einem Abstand r voneinander ist proportional zu 1/r.

Viele Prozesse in der Chemie hängen mit der Übertragung oder Umwandlung von Energie zusammen; es ist daher unbedingt notwendig, diese Größe exakt zu definieren: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Arbeit ist wiederum eine Bewegung gegen eine Kraft. Die SI-Einheit der Arbeit ist das Joule (J):

(siehe Abschnitt G.7).

Ein Gegenstand kann zwei verschiedene Arten von Energie besitzen, kinetische (Bewegungs-) und potenzielle (Lage-) Energie. Die kinetische Energie E_kin eines Körpers ist die Energie, die er aufgrund seiner Bewegung besitzt. Für einen Gegenstand der Masse m, die sich mit einer Geschwindigkeit υ bewegt, ist

(g.4)

Die potenzielle Energie E_pot oder V eines Objekts ist die Energie, die es aufgrund seiner Lage besitzt. Für die potenzielle Energie kann man keinen allgemein gültigen Ausdruck angeben, da sie von der Natur der Kraft abhängt, die auf den Gegenstand wirkt. Für ein Teilchen der Masse m im Schwerefeld der Erde gilt in einer Höhe h nahe der Erdoberfläche

(g.5)

wobei g die Beschleunigung des freien Falls ist (g = 9.81 m s^–2). Der Nullpunkt der potenziellen Energie ist willkürlich; im vorliegenden Fall ist es daher am sinnvollsten, V(0) = 0 zu setzen.

Eine der wichtigsten Arten der potenziellen Energie in der Chemie ist die Coulombenergie, die potenzielle Energie der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen zwei elektrischen Punktladungen. Im Vakuum gilt für eine Punktladung Q₁ in einer Entfernung r von einer zweiten Punktladung Q₂

(g.6)

Üblicherweise (so auch hier) setzt man dabei die potenzielle Energie für einen unendlichen Abstand der beiden Ladungen voneinander gleich null. Dann haben zwei entgegengesetzte Ladungen bei endlichen Abständen eine negative potenzielle Energie, wohingegen zwei gleichnamige Ladungen eine positive Energie besitzen. Ladungen werden in Coulomb (C) gemessen und oft auch als Vielfache der Elementarladung e ausgedrückt. Die Ladung eines Elektrons ist dann –e und die eines Protons +e; die Ladung eines Ions mit der Ladungszahl z (positiv für Kationen, negativ für Anionen) ist ze. Die Konstante ε₀ ist die Vakuumpermittivität, eine Fundamentalkonstante mit dem Wert 8.854 × 10^–12 C² J^–1 m^–1. In einem anderen Medium als Vakuum wird die potenzielle Energie der Wechselwirkung zwischen zwei Ladungen reduziert; man ersetzt dann die Vakuumpermittivität durch die Permittivität ε des Mediums. Die Permittivität wird meist als Vielfaches der Vakuumpermittivität ausgedrückt,

(g.7)

wobei ε_r die dimensionslose relative Permittivität (früher als Dielektrizitätskonstante bezeichnet) ist.

Die Gesamtenergie eines Teilchens ist die Summe seiner kinetischen und potenziellen Energien,

(g.8)

Wir werden häufig das allem Anschein nach universelle Naturgesetz verwenden, dass die Energie erhalten bleibt, d. h. Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden. Obwohl Energie von einem Ort zu einem anderen übertragen und von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, bleibt die Gesamtenergie immer konstant.