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Satz von HESS und Thermochemie - Wie viel Wärme wird bei chemischen Reaktionen frei?

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Die Enthalpie H ist ein Maß für die Menge an Energie, die in einem System steckt. Die Enthalpie H hängt ab (1) von der Temperatur (2) von der Phase (3) von der chemischen Zusammensetzung (und bei nicht-idealen Systemen (4) von der Verdünnung). Zu Punkt
Wie viel Wärme wird bei chemischen Reaktionen frei (oder verbraucht)? Die
Spaltung einer Bindung erfordert die Zufuhr von Wärme. Zur Dissoziation des Wasserstoffmoleküls werden 436 kJ/mol benötigt. dbenötigt. Diese ausgetauschte Wärme bezeichnen wir (wenn der isobar und spontan verläuft) als Dissoziations-Enthalpie delta(H)diss. das Molekül Wassser spalten will» Die Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Wassermolekül benötigt 492 kJ/mol. Die Abspaltung des zweiten Wasserstoffatoms vom verbleibenden OH-Radikal erfordert weitere 428
kJ/mol. Die Dissoziationsenthalpie hängt nicht nur von der Art, sondern auch von der konkreten der Bindung im Molekül ab. Die C-C-Bindung im Ethan erfordert zur Spaltung
368 kJ/mol. Die Dissoziation anderer C-C-Bindungen kann mehr oder weniger Enthalpieänderung erfordern. Daher ist die Definition von Mittelwerten sinnvoll: Die Bindungsenthalpie ist die Wärme, die im Mittel frei wird, wenn sich eine chemische Bindung bildet. Bei der Bildung einer O-H-Bindung werden im Mittel 463 kJ/mol Wärme frei, d.h. die Bildungsenthalpie hat ein negatives Vorzeichen. Die Bindungsenthalpie (auch "Bindungsstärke", "Bindungsenergie") der C-H-Bindung beträgt - 412 kJ/mol; für die C-O-Bindung sind - 360 kJ/mol und für die C-C-Einfachbindung -348 kJ/mol tabelliert. Die C=C-Doppelbindung besitzt mit - 612 kJ/mol einen höheren Betrag an Bindungsenthalpie
(aber nicht das doppelte einer C-C-Einfachbindung) die C-C-Dreifachbindung ist noch energiereicher. Ich kann die Moleküle (wie aus dem Molekül Baukasten) aus Atomen mit Bindungen zusammenstecken und kann mit Hilfe dieser Tabellenwerte abschätzen, wie viel Bindungsenthalpie insgesamt in einem Molekül steckt (im Vergleich zu den getrennten gasförmigen Atomen) Die Enthalpie zur kompletten Atomisierung eines Moleküls
entspricht ebenfalls der Summe der Bindungsenthalpien - allerdings mit positivem Vorzeichen. Die Atomisierung von Wasser erfordert (vom Betrage her) die doppelte Bindungsenthalpie der O-H-Bindung, also + 920 kJ/mol. Die Atomisierung von Methan (CH4) erfordert (vom Betrage her) die vierfache Bindungsenthalpie der C-H-Bindung (ungefähr 1500 kJ/mol) Zur Abschätzung nutzen wird die Beziehung: Atomisierungsenthalpie ist ungefähr minus Summe der Bindungsenthalpien. (Die Bindungsenthalpien sind Mittelwerte) Eine besondere Bedeutung hat die Bildungsreaktion einer Verbindung: Die Synthese einer Verbindung aus den Elementen. Da vereinbarungsgemäß alle Elementen die Bildungsenthalpie Null besitzen, werden den Verbindungen diese sogenannte Bildungsenthalpien delta(H)F zugeordnet: Die Synthese von gasförmigem Wasser aus den Elementen, also die Bildungsreaktion von Wasser durchführe, wird eine Wärme von 241,8 kJ/mol frei. Wie jede isobare spontane Wärme entspricht auch diese einer Enthalpie – der molaren Standard-Bildungsenthalpie delta(H)°F von gasförmigem Wasser. Diese Werte sind tabelliert in thermodynamischen Tabellen. Die Bildung von flüssigem Wasser setzt eine um 44 kJ/mol größere Wärmemenge frei - - 285,5 kJ/mol ist die molare Standard-Bildungs-Enthalpie von flüssigem Wasser. "molar" bedeutet pro Mol Verbindung (d.h. hier: pro 18 g Wasser). "Bildungenthalpie" bezieht sich auf die Wärmetönung der Synthesereaktion "Standard (Symbol °)" bedeutet 100% Umsatz: Anfangszustand ist reiner Wasserstoff und reiner Sauerstoff - Endzustand ist reines Wasser. Die Synthese von Stickstoffmonoxid
(NO) aus den Elementen ist endotherm, es wird Wärme benötigt. In Tabellen finden wir für diese endotherme Verbindung eine positive Bildungsenthalpie von 90,3 kJ/mol. Die meisten Verbindungen bilden sich exotherm, z.B. besitzen Kochsalz, Kohlendioxid und Propan deutlich negative Bildungsenthalpien. Alle Elemente besitzen bei Standardbedingungen (25°C, 1bar) in ihrer stabilsten Modifikationen die Bildungsenthalpie Null. Stickstoff, Chlor Argon, Kohlenstoff (als Graphit) besitzen per Definition die Bildungsenthalpie Null. Verbindungen besitzen je nach Synthesereaktion entsprechend positive oder negative Bildungsenthalpien, je nachdem, ob sie endotherm oder exotherm aus den Elementen entstehen. Wir betrachten eine beliebige Reaktion - beispielsweise die Verbrennung von Methan zu Kohlendioxid und Wasser - und messen die isobare Reaktionswärme (in unserem Beispiel eine Verbrennungswärme). Diese Reaktionswärme entspricht einer Reaktionsenthapie. Die Verbrennung von einem Mol Methan mit 2 mol Sauerstoff liefert eine Wärmemenge von 890 Kilojoule. Die Verbrennung von einem Mol Glukose mit Sauerstoff liefert 2808 Kilojoule (Reaktionsenthalpie: - 2808 kJ/mol). Mit Hilfe des Satzes von HESS können wir beliebige Reaktionsenthalpien rechnerisch ermitteln. Wie viel Wärme wird z.B. bei der Verbrennung von Propan frei? Wir notieren die Reaktionsgleichung und überlegen uns, wie wir diese Reaktion nach HESS umschreiben können. Eine Möglichkeit ist, die Reaktion über einen "Umweg" mit Bildungsenthapien zu formulieren. Solche "Wege" und "Umwege" skizziert man sinnvollerweise im Enthalpiediagramm: - Die Elemente liegen bei Null; - die Atome sind ganz oben im Diagramm eingezeichnet - hier das Enthalpielevel der Ausgangsstoffe (Reaktanten, Edukte: Propan und Sauerstoff) - das unterste Enthalpieniveau entspricht den Endprodukten (Kohlendioxid und Wasser) Der grüne Enthalpiepfeil ist die Reaktionsenthalpie, die wir ermitteln wollen, die roten Enthalpiepfeile starten alle bei den Elementen - sie entsprechen Bildungsenthalpien ( in der Regel tabellierte, also verfügbare Werte). Der
kleine Pfeil symbolisiert die Bildungsenthalpie
der Reaktanten, der lange rote Pfeil symbolisiert die Bildungsenthalpie der Produkte. Nach dem Satz von HESS ergibt sich die Reaktionsenthalpie (grün) durch vektorielle Kombination der Bildungsenthalpien (rot) Anders formuliert: Reaktionsenthalpie = Bildungsenthalpie der Produkte minus Bildungsenthalpie der Reaktanten (Edukte) Die Umsatzzahlen aller beteiligten Stoffe müssen bei dieser "stöchiometrischen Summe" berücksichtigt werden. Es entstehen 3 mol CO2 und 4 mol Wasser; mit diesen Zahlen müssen die entsprechenden molaren Bildungsenthalpien multipliziert werden. viermal molare Bildungsenthalpie von Wasser: - 1143 kJ/mol dreimal molare Bildungsenthalpie von Kohlendioxid: -1181 kJ/mol In Summe ergibt sich die Bildungsenthalpie der Produkte (Länge des großen roten Enthalpiepfeils) Die Bildungsenthalpie von Propan ist - 104 kJ/mol (Länge des kleinen roten Enthalpiepfeils) Durch stöchiometrische Kombination der roten Enthalpiepfeile erhalten wir den grünen Reaktionspfeil: - 2022 kJ/mol das ist die Reaktionsenthalpie - genauer: die molare Standard-Reaktionsenthalpie. Die Wärme 2022 kJ wird frei, wenn 1 mol Propan komplett zu 3 mol Kohlendioxid und 4 mol flüssigem Wasser verbrennt. Der Reaktionsweg ist dabei egal (egal ob mit
Flamme oder katalytisch ohne Flamme, egal ob direkter Weg oder Umweg), entscheidend sind nur Anfangs- und Endzustand. Im sog. Enthalpie-Reaktionsprofil wird die Enthalpie der Reaktionsmischung gegen xi (den Reaktionsstand) auftragen. xi=1 mol bedeutet: kein Umsatz, nur Reaktanten, xi=1mol bedeutet: 100 % Umsatz, nur Produkte.
Mit steigendem xi - auf dem Weg zu den Produkten - nimmt die Enthalpie des Gemisches kontinuierlich ab.
Die Abnahme der Enthalpie ist bei idealen Mischungen linear - hier müssen wir keine Mischungsenthalpie berücksichtigen. Der Reaktionsstand kann auch (statt mit xi) über den Umsatz U oder den Reaktionsquotient Q(R) quantifiziert werden. Wir betrachten eine weitere Reaktion hinsichtlich ihrer Enthalpie ("durch die Enthalpiebrille"): Wie viel Wärme wird bei der Dissoziation von N2O4 zu NO2 frei/benötigt? Aus Tabellenwerten entnehmen wir die molaren Bildungsenthalpien von N2O4 zu 9,368 kJ/mol und von NO2 zu 33,32 kJ/mol. Da bei der Reaktion 2 mol NO2 entstehen, müssen die 33,32 kJ/mol mit 2 multipliziert werden bedeutet: die Enthalpie der Reaktanten liegt bei 9,368 kJ/mol, die Enthalpie der Produkte bei 66,64 kJ/mol. Als Differenz, als
Reaktionsenthalpie ergibt sich dann 57,272 kJ/mol. (Kilojoule pro Mol) Diese Wärme müsste man aufwenden um 1 mol N2O4 komplett in 2 mol NO2 zu spalten. Die Situation sieht im zweidimensionalen Enthalpie-Reaktionsprofil folgendermaßen aus. Die Enthalpie des reinen Reaktanten (N2O4; xi = 0 mol) ist niedriger als die Enthalpie der reinen Produkte (2 NO2; xi = 1 mol) Die Reaktion ist endotherm - während der Dissoziation
Vorlesung/Konferenz
Verdünnung
Bindungsenergie
Wassermolekül
Abspalten
Reaktionsführung
Hydroxyl
Vorlesung/Konferenz
Physikalische Chemie
Delta
Molekül
Wasserstoffmolekül
Allylverbindungen
Bindungsenergie
Hydrophobe Chromatographie
Chemische Bindung
Bildungsenthalpie
Vorlesung/Konferenz
Bildungsenthalpie
Sauerstoff
Chemische Verbindungen
Bindungsenergie
Atom
Reinwasser
Wasserstoff
Atomisierung
Molvolumen
Vorlesung/Konferenz
Delta
Molekül
Chemisches Element
Methan
Stickstoffmonoxid
Allylverbindungen
Kohlendioxid
Kohlenstoff
Ausgangsmaterial
Bildungsenthalpie
Sauerstoff
Setzen <Verfahrenstechnik>
Reaktionswärme
Chemische Verbindungen
Reaktionsgleichung
Propan
Atom
Gekochter Schinken
Glucose
Verbrennung
Vorlesung/Konferenz
Verbrennungswärme
Graphit
Chemisches Element
Methan
Kohlendioxid
Propan
Rauchgasentschwefelungsanlage
Ausgangsmaterial
Bildungsenthalpie
Vorlesung/Konferenz
Flamme
Reaktionswärme
Mangan
Gemisch
Bildungsenthalpie
Mischgut
Vorlesung/Konferenz
Vorlesung/Konferenz
Magnetometer
Reaktionswärme

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Satz von HESS und Thermochemie - Wie viel Wärme wird bei chemischen Reaktionen frei?
Serientitel Einführung in die Thermodynamik
Teil 17
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15661
Herausgeber Lauth, Günter Jakob
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Technische Metadaten

Dauer 12:41

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Schlagwörter Physikalische Chemie
Thermodynamik

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