Die Reaktionsenthalpie ΔH

Die Reaktionsenthalpie ∆H ist der Energieumsatz bei einer mit konstantem Druck durchgeführten chemischen Reaktion. Sie ist also diejenige Energie, die freigesetzt (exotherme Reaktion) bzw. aufgebracht (endotherme Reaktion) werden muss, damit zwischen den Molekülen zweier Stoffe neue chemische Bindungen gebildet werden.

Lebewesen

Offene Systeme wie Lebewesen tauschen mit ihrer Umwelt ständig Energie und Stoffe aus. Bei den zahllosen chemischen Reaktionen z.B. im Körper werden ständig Edukte in Produkte umgewandelt. Hierbei spielt der Energieumsatz eine wichtige Rolle, da wir Energie zum Überleben benötigen und es entscheidend ist wie viel bei einer Reaktion verbraucht wird und wie viel noch in den Produkten vorhanden ist.

Technik

In der Technik kommt der Temperatur der Reaktionsprodukte eine wichtige Bedeutung zu. Bei Verbrennungen (Motor, Gasturbine) wird immer Energie in Form von Wärme frei. Hierbei möchte man wissen mit welcher Temperatur die Produkte zur Verfügung stehen um z.B. herauszufinden, wie viel Wärme (Energie) man gewinnen kann.

Berechnung der Reaktionsenthalpie

ΔH_R = ∑ΔH_Produkte - ∑ΔH_Edukte

Beispiel einer Tabelle mit molaren Standard-Bildungsenthalpien von Stoffen in kJ/mol

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Zur Berechnung der Reaktionsenthalpie nimmt man die Differenz der Bildungsenthalpien der Produkte und der Edukte. Diese Bildungsenthalpien sind tabellarisch (Bild rechts) einzusehen und können so übernommen werden, um ΔH_R zu berechnen. Die Bildungsenthalpie von Elementen in ihrem energieärmsten Zustand ist definitionsgemäss = 0. Ist der Energieinahlt der Produkte geringer als der der Edukte (ΔH < 0), so liegt eine exotherme Reaktion vor. Umgekehrt dazu steht die endotherme Reaktion, bei der der Energieinhalt der Produkte grösser ist als der der Edukte (ΔH > 0).

Beispiel Bestimmung des Heizwertes von Ethanol (C₂H₅OH_(l)))

C₂H₅OH + 3O₂ → 2 CO₂ + 3H₂O

ΔHR = (2 x -393kJ/Mol)+(3 x -242kJ/Mol) - (-278kJ/Mol)
= -786 - 726 + 278
= 1234 kJ/Mol

Damit nicht alle Reaktionsenthalpien experimentell (mit Hilfe des Kalorimeters) erschlossen werden müssen, wurde ein Bezugszustand gewählt. Die Enthalpie von Elementen bei Standardbedingungen (Temperatur: 25°C (=289 K), Druck: 1,013 bar) in ihrer energieärmsten Form wurde willkürlich auf null gesetzt.

Endotherm und Exotherm

Auf diesen Skizzen ist eine exotherme und eine endotherme Reaktion dargestellt. (E_A) steht für die Aktivierungsenergie. Diese Aktivierungsenergie kann als Schwellenwert angesehen werden, der überschritten werden muss, damit die Reaktion ablaufen kann. Die Aktivierungsenergie ist aber nicht mit der Energie zu verwechseln, die bei einer endothermen Reaktion zugeführt werden muss. Sie entspricht lediglich dem Barrierenwert, der durch den Zusammenstoss zweier Teilchen überwunden werden muss, damit die chemische Reaktion abläuft. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Aktivierungsenergie. Ist die Aktivierungsenergie klein, so läuft die Reaktion schnell ab. Ist sie jedoch gross, läuft sie langsam ab. (EG_Ed)bedeutet Energiegehalt der Edukte und steht für die potenzielle Energie der Edukte, sowie (EG_Pro) für die potenzielle Energie der Produkte steht. Bei einer exothermen Reaktion ist ΔH negativ (ΔH<0), das heisst die Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Bei einer endothermen Reaktion ist ΔH positiv (ΔH>0), weil die Energiedifferenz mit der Wärme aus der Umgebung ausgeglichen wird, das heisst die Umgebung verliert an Wärme.

Messung der Reaktionsenthalpie

Die Enthalpie einer Reaktion ist zum Unterschied zu den Enthalpien von Einzelstoffen mit Hilfe eines Kalorimeters messbar. Bei exothermen Reaktionen wird bekannterweise überschüssige Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Der Kalorimeter misst diese abgegebene Wärme und kann so auf die Reaktionsenthalpie schliessen. Bei der endothermen Reaktion ist das genau umgekehrt. Es muss Energie aufgebracht werden, damit die Reaktion ablaufen kann. Es wird also Wärme von der Umgebung (in diesem Falle vom Kalorimeter) aufgenommen. Der Kalorimeter kann diese Wärme wiederum messen und dadurch auf die Enthalpie schliessen.

Die Reaktionsenthalpie ΔH bei Verbindungen

Bei Verbindung ist (ΔH⁰_f)die Energie, die frei wird oder die aufgewendet werden muss wenn 1 Mol einer Verbindung aus den Elementen hergestellt wird, aus denen die Verbindung besteht. ΔH = Summe der Produkte - Summe der Edukte (sonst wird ΔH bei einer exothermen Reaktion nicht negativ) Das Berechnen der Reaktionsenthalpie und dasAbschätzen der Reaktionsenthalpie geben uns Auskunft über die Grösse von ΔH.

Beispiel: Verbrennen von Methan CH4

CH4 + 2CO2 → CO2 + 2H2O ΔH = ∑ΔH⁰_f Produkte - ∑ΔH⁰_f Edukte ΔH = [-393+2*(-242)]-[-75+2*(0)]

 = [-393(-484)]-[-75]
 = [-877+75]
 = -802 kj/Fu

So wird eine chemische Formel geschrieben: (H₂SO₄^2-).

Weblinks

Swisseduc– Unterrichtsserver für Chemie 
Mediawiki Hilfeseite – So kann der Link näher beschrieben werden