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Chemische Reaktion und Wärme
Definition einer chemischen Reaktion
Einen Vorgang, bei dem aus Ausgangsstoffen unter Energieabgabe

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- chemische Reaktion und Wärme - Innere Energie und Enthalpie - Enthalpie und Aggregatszustände - Bildungsenthalpie und Reaktionsenthalpie - spontane Vorgänge - Entropie - Freie Enthalpie (Gibbs-Helmholtz)

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ENERGETIK Chemische Reaktion und Wärme Definition einer chemischen Reaktion Einen Vorgang, bei dem aus Ausgangsstoffen unter Energieabgabe oder Aufnahme neue Stoffe entstehen bezeichnet man als chemische Reaktion. Die Reaktionsprodukte weisen neue Eigenschaften auf und lassen sich durch physikalische Methoden nicht mehr in die Ausgangsstoffe auftrennen. Exotherme Reaktion Reaktion, bei der Energie in Form von Licht oder Wärme abgegeben wird. Die Produkte haben weniger Energie als die Edukte. Endotherme Reaktion Reaktion, die nur unter Energiezufuhr abläuft. Die Produkte sind energiereicher als die Edukte. Systeme Offenes System Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung sind möglich offenes Reagenzglas Lebewesen Geschlossenes System Kein Stoff-, aber Energieaustausch mit der Umgebung sind möglich verschlossenes Reagenzglas Kühlkreislauf eines Autos Destillationsapparatur Isoliertes System Weder Stoff- noch Energieaustausch mit der Umgebung sind möglich Thermoskanne im Idealfall Universum Energetische Untersuchungen lassen sich am einfachsten in einem isolierten System durchführen, da hier keine Energie in die Umgebung entweicht Reaktionswärme Die Reaktionswärme erhöht die Temperatur der Reaktionsprodukte und führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen diesen und der Umgebung. Reaktionswärmen werden in Kalorimetern gemessen. Dies sind Gefäße, die die gesamte Wärme einer Reaktion aufnehmen sollen, ohne etwas davon an die Umgebung abzugeben. Die vom gesamten System aufgenommene und experimentell bestimmbare Wärme ist dem Betrag nach gleich der Reaktionswärme Q. Q = Qw + QK = Cw mw *A + Ck * AD = (Cw * Mw + Ck) * A * Hierbei: Kalorimeter Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters mw = Masse des Wassers A...

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= Temperaturdifferenz zwischen Endtemperatur ₂ und Anfangstemperatur ₁ Cw = 4,1868- : spezifische Wärmekapazität des Wassers g*K CK = Wärmekapazität des Kalorimetergefäßes = -Thermometer Qauf + Qab = 0 Energieerhaltungssatz: Rührer -Deckel -Kalorimeter flüssigkeit Schicht wärmeisolierende Die vom ,,kalten" Wasser und vom Kalorimeter aufgenommene Energie beträgt: Qauf (Cw* m₁ + Ck) * (misch − ₁) CK = Gießt man eine bestimmte Menge wärmeres Wasser in ein Kalorimeter mit einer bestimmten Menge kälteres Wasser, so steigt die Temperatur im Kalorimeter um einen bestimmten Wert. Das warme Wasser erwärmt nicht nur das kalte Wasser, sondern auch das Kalorimeter. Die vom ,,warmen" Wasser abgegebene Energie beträgt Qab = Cw * m2 * (misch-₂) * m₂ = Masse des ,,warmen" Wassers 9₂ = Temperatur des ,,warmen" Wassers Substanz m₁ = Masse des „kalten" Wassers 0₁ = Temperatur des ,,kalten" Wassers Cw *m₂* (misch-9₂) (9misch - 91) Cw * m1 Innere Energie und Enthalpie Innere Energie Die Summe aller Energien, über die ein System in seinem Inneren verfügt, heißt innere Energie U des Systems. Der absolute Wert von U ist nicht erforderlich; interessant ist aber die Änderung der inneren Energie AU. Wird bei einer Reaktion Energie abgegeben, so ist AU negativ Reaktionswärme und Volumenarbeit Reaktionsgleichung: Zn + 2 H30+ Variante 1: Der Hahn des Kolbenprobers ist geöffnet, so dass der Wasserstoff in den Kolbenprober strömt. Der Druck im Reaktionsgefäß bleibt konsz'tant. Der Kolben bewegt sich um die Strecke As nach außen. Qp = = -154,0 Variante 2: Zn²+ + 2 Cl + 2 H₂O + H₂ kJ mol Der Hahn ist geschlossen, so dass der entstehende Wasserstoff im Reagenzglas bleibt und der Druck dort ansteigt. Qv = - 156,5 kJ mol Wie kann man das erklären? Die mechanische, vom System auf die Umgebung übertragene, Energie ist Kraft mal Weg Das Gas übt eine Kraft auf den Kolben aus und schiebt diesen um die Strecke As nach außen Dabei wird auf mechanischem Weg die Energie w = F * As an die Umgebung abgegeben Um diesen Betrag wird die freiwerdende Wärmeenergie verringert Die Energiedifferenz zwischen Produkten und Edukten wird nicht vollständig in Wärmeenergie umgewandelt, sondern zu einem kleinen Teil auch in mechanische Energie. Reaktionsenergie Bei endothermen Reaktionen, die bei konstantem Volumen ablaufen, entspricht die Änderung der inneren Energie des Systems ausschließlich der Reaktionswärme AU = Qv (AU ist die Differenz zwischen der inneren energie von Produkten und Edukten, Q steht generell für Reaktionswärme) Diese Reaktionswärme nennt man Reaktionsenergie Enthalpie Meist laufen chemische Reaktionen jedoch in einem offenen System ab, so dass der Druck konstant bleibt und sich das Volumen verändert. Dabei verteilt sich die Änderung der inneren Energie (AU) auf Volumenarbeit (p AV) und Reaktionswärme, die man in diesem Fall als Reaktionsenergie AH bezeichnet. AU=AH-p* AV Innere Energie der Edukte Zink und Salzsäure Innere Energie der Produkte Zinkchlorid und Wasserstoff U U Hinweis: Die Volumenarbeit geht bei positiven AV dem System verloren, ebenso ist die Reaktionsenthalpie an sich negativ, so dass sich die beiden negativen Werte zu einem noch negativeren Wert addieren, der dem Wert von AU = Q, entspricht. AU Zusammenhang zwischen innerer Energie, Reaktionswärme bei konstantem Druck und Volumenarbeit AU ✓ Qp W Qp W U₂ U₁ AU U₁ U₂ Reaktions- energie Beispiel: Reaktion von Zink mit (exotherm, Volumen vergrößernd) Beispiel: Ammoniakzerlegung, Kalkbrennen (endotherm, Volumen vergrößernd) AU Qp AU Qp PAV W W U₂ U₁ ΔΗ U₁ · U₂ Beispiel: Wassersynthese (exotherm, Volumen verkleinernd) Beispiel: Fotosynthese (endotherm, Volumen verkleinernd) Enthalpie und Aggregatszustände Verdampfungsenthalpie Um ein Mol eines Reinstoffs bei seiner Siedetemperatur und unter konstantem Druck zu verdampfen, benötigt man zur Überwindung der Zwischenmolekularen Kräften die Verdampfungsenthalpie AvHm. Sie wird bei der Kondensation wieder an die Umgebung abgegeben. Schmelzenthalpie Wird ein Mol eines Reinstoffs bei seiner Schmelztemperatur unter konstantem Druck geschmolzen, so benötigt man zur Umwandlung des geordneten Teilchenverbands in den Zustand der ungeordneten Teilchenbewegung der Flüssigkeit die Schmelzenthalpie AsHm. Bestimmung der Schmelzenthalpie von Wasser: (CK + Cw * m₂) * (9₂ − 9misch) = AçH + Cw * m₁ * 9misch ➜ AçH = [(Ck + Cw * m₂) * (9₂ − 9misch)] − (Cw * M₁ * 9misch) - 2 m₂: Masse des Wassers misch: Mischungstemperatur 2: Temperatur des Wassers m₁: Masse des Eises Die Größe der Verdampfungs- und Schmelzenthalpie lässt sich mit der Größe der zwischenmolekularen Kräften zwischen den Teilchen erklären. Verbrennungsenthalpie Messung von Verbrennungsenthalpien: das Verbrennungskalorimeter In einem Verbrennungskalorimeter wird die Reaktionsenthalpie bei der Verbrennung eines Stoffes gemessen, indem eine Portion des Stoffes verbrannt wird: Thermometer YV Rührer definierte Menge Wasser Zu verbrennende Substanz Drahtkorb Sauerstoffzufuhr

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