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Chemische Energetik
12.4.2021
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Chemische Energetik/Thermodynamik Definition In der Energetik bzw. Thermodynamik bezeichnet einen festgelegten räumlichen Bereich, in dem sich ein Stoff befindet und Reaktionen ablaufen können, als System. Für chemische Untersuchungen ist es sinnvoll, dieses räumlich von der Umgebung abzugrenzen. wie lassen sich die Eigenschaften eines Systems beschreiben? → Durch Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Masse, volumen. → Eine wichtige zustandsgröße ist die im gesamten System enthaltene innere Energie U. EXOTHERM UND ENDOTHERM • Ist eine Reaktion exotherm, wird Energie in Form von Reaktionswärme Q an die Umgebung abgeben. Die innere Energie des Systems nimmt ab. Die Reaktionswärme ist negativ. • Ist eine Reaktion endotherm, wird Energie in Form von Reaktionswärme Q von der Umgebung aufgenommen. Die innere Energie des Systems nimmt zu. Die Reaktionswärme ist positiv. • Es wird Arbeit w an der Umgebung verrichtet. SYSTEME Stoffaustausch OFFENES SYSTEM Energie- austausch → Stoff- und Energieaustausch Energie- austausch GESCHLOSSENES SYSTEM → Energie - aber kein Stoffaustausch ISOLIERTES SYSTEM 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energie kann weder neu geschaffen noch vernichtet werden. Energieerhaltungssatz →gilt für System und Umgebung Die Gesamtenergie eines Systems und seiner Umgebung bleibt konstant! →kein Stoff- oder Energieaustausch 1. HAWPTSATZ DER THERMODYNAMIK INNERE ENERGIE W UND REAKTIONSENERGIE → Die innere Energie U eines Systems ist nicht experimentell bestimmbar, sondern nur die Änderung der inneren Energie bei einer chemischen Reaktion • Die Änderung ergibt sich aus der Differenz der inneren Energie nach der Reaktion und vor der...
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Reaktion. AU=U2-U₁ • wird bei einer Reaktion abgegeben, ist AU also negativ. → AU wird auch Reaktionsenergie genannt. REAKTIONSWÄRME Q Rührer Thermometer elektrische Zünddrähte wasser fq. Luftisolierung Außenisolierung zu verbrennende / Substanz Verbrennungsbehälter mit reinem Sauerstoff bei einer chemischen Reaktion kann Freiwerdende Energie mit einem Kalorimeter gemessen werden. die Energie wird an das Wasser um die Reaktionskammer übertragen → der Temperaturunterschied wird protokolliert CHEMISCHE REAKTION Beispiel: Zink reagiert mit Salzsäure zu Zinkchlorid und Wasserstoff . im geschlossenen System: • in einem geschlossenen System entweicht der Wasserstoff nicht →der Druck erhöht sich aber das Volumen bleibt konstant Die messbare Reaktionsenergie bei konstantem Volumen beträgt -156.5kJ. .im offenen System • in einem offenen System entweicht der Wasserstoff Die messbare Reaktionsenergie bei konstantem Druck beträgt -154kJ Die Reaktionsenergie AU ist bei beiden Reaktionen gleich. Bei konstantem Druck wird jedoch weniger Wärme abgegeben, da die Reaktionsenergie nicht nur in wärme, sondern auch in Arbeit umgewandelt wird. Da sich das Volumen von den Edukten zu den Produkten verändert, sprechen wir von Volumenarbeit W an der Umgebung. Bei konstantem volumen wird die Reaktionsenergie vollständig in Wärme umgewandelt, sodass in diesem Fall Reaktionsenergie und Reaktionswärme gleich sind. Energ INNERE ENERGIE UND WÄRMEENERGIE → Definition Bei chemischen Reaktionen, die unter konstantem Druck (in offenen Systemen) ablaufen, muss die volumenarbeit berücksichtigt werden. AU=Q+W (Differenz innere Energie = Reaktionswärme + volumenarbeit) AU=Q-p.Av (Differenz innere Energie Reaktionswärme - Druck Differene volumen) Q=AU +p.4V (Reaktionswärme= Differenz innere Energie + Druck Differenz volumen) W=-p av (Arbeit=-Druck Differenz Volumen) Bei einer Reaktion mit volumenzunahme hat die volumenarbeit einen negativen wert, das System verrichtet Arbeit an der Umgebung. Bei einer Reaktion mit Volumenabnahme hat die volumenarbeit einen positiven Wert, die Umgebung verrichtet Arbeit am System. Das gilt auch für andere Formen von Arbeit (z.B. elektrische Arbeit). ENTHALRIE Die meisten Reaktionen laufen bei constantem Druck, also in offenen Systemen ab. Die Enthalpie H ist eine definierte Größe, die die energetischen Berechnungen bei konstantem Druck vereinfacht. Läuft eine Reaktion bei konstantem Druck alb, ist die Reaktionswärme (/-energie) gleich der Reaktionsenthalpie AH. [Q = ΔΗ ENERGIEDIAGRAMM AU Energie) (innere Q=AH (Reaktionswärme) w (Arbeit) Exotherme und endotherme Reaktionen Ausgangsstoffe → Unter Berücksichtigung der Aktivierungsenergie _Übergangszustand EA ΔΗ freiwerdende Energie Endstoffe Reaktionsweg EXOTHERME REAKTION (Energie wird frei) U₁ -U2 Energie Übergangszustand Ausgangsstoffe EAT Endstoffe benötigte Energie Reaktionsweg ENDOTHERME REAKTION (Energie wird benötigt) EA= Aktivierungsenergie