Lexikon
Tabelle: Bildungsenthalpien
Reaktionswärme
(Reaktionsenthalpie)
Jede chemische
Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Beispiele: Beim Verbrennen
von Butangas im Kartuschenbrenner
oder beim Lösen von "Abfluss frei" (Natriumhydroxid)
in Wasser wird Wärmeenergie frei. Beim Lösen von Ammoniumchlorid
in Wasser oder bei der Herstellung von Kältemischungen kühlt
sich die Lösung ab, da Wärmeenergie benötigt wird.
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Bei exothermen Reaktionen wird
Energie frei, bei endothermen Reaktionen wird Energie benötigt.
In der Chemie wird die frei werdende oder benötigte Wärmeenergie
als Reaktionswärme (oder als Reaktionsenthalpie) bezeichnet. Die bei
einer chemischen Reaktion insgesamt frei werdende Wärmemenge Q (Maßeinheit
Joule), kann mit einem Kalorimeter gemessen werden (siehe Versuchsbeschreibung
und Berechnung). Meistens wird die Reaktionswärme jedoch auf die
Stoffmenge n der beteiligten Stoffe (in Joule/mol)
bezogen:
Formelzeichen: DHR
("delta HR");
Maßeinheit:
Joule/mol
Da chemische Reaktionen mit Energieaufnahme
oder -abgabe verbunden sind, muss jedem Stoff eine bestimmte Energiemenge
zugeschrieben werden. Diese Energie nennt man Enthalpie (Formelzeichen
H). Die Enthalpie jedes Stoffes hängt von der Temperatur und
vom Außendruck ab. Daher werden die Enthalpieangaben auf den Standardzustand
bezogen:
Standardzustand in der Thermochemie:
298,15 Kelvin (ca. 25°C) und
1013mbar
Achtung: Der Standardzustand in der Thermochemie
entspricht nicht dem Normalzustand von 0°C! Da absolute Enthalpien
nicht messbar sind, legte man für die Enthalpien der Elemente im Standardzustand
die Zahl 0 fest. Beispiel: Bei der Reaktion von Eisen und Schwefel entsteht
Eisensulfid:
Fe +
S -----> FeS
In diesem Fall erhalten die Elemente Fe
und S den Betrag 0, während dem FeS die bei der exothermen Reaktion
freigesetzte Bildungswärme zugeordnet wird (DHB
= -100kJ/mol). Unter der Bildungswärme versteht man die
Wärmemenge, die bei der Bildung einer bestimmten Verbindung aus den
Elementen unter Standardbedingungen freigesetzt oder verbraucht wird. Sie
erhält folgendes Formelzeichen:
Bildungswärme:
DHB
Mit Hilfe der Enthalpien lässt sich
die Reaktionswärme neu definieren. Die Reaktionswärme ist die
Differenz der Summen aller Bildungswärmen der Ausgangs- und der Endstoffe:
Bei exothermen Reaktionen ergibt sich
für die Reaktionswärme DHR
aufgrund der Formel ein Wert kleiner als 0, bei endothermen Reaktionen
größer als 0. Die Bildungswärme ist ein ungefähres
Maß für die Stabilität einer chemischen Verbindung. Je
mehr Wärmeenergie bei der Bildung einer Verbindung freigesetzt wird,
desto stabiler ist sie.
Übungsbeispiel
1: Errechnen Sie die molare Reaktionswärme für die Reaktion
zwischen Eisen und Schwefel:
Fe
+ S -----> FeS
Aus Tabellen
kann die Bildungswärme des Eisensulfids abgelesen werden. Die Elemente
Fe und S erhalten die Werte 0. Somit gilt nach Einsetzen in obige Gleichung:
DHR
= -100kJ - (0 + 0) = -100 kJ/mol
Übungsbeispiel
2: Errechnen Sie die Reaktionswärme für die Hochofenreaktion:
Fe2O3
+ 3CO -----> 2Fe + 3CO2
DHR
= [2·0 + 3·(-393kJ)] - [-824kJ + 3·(-111
kJ)] = -22 kJ/mol
Beide Reaktionen verlaufen aufgrund des
negativen Vorzeichens exotherm. Zur eindeutigen Kennzeichnung der beteiligten
Stoffen ergänzt man in den Formeln den vorliegenden Aggregatzustand
der Stoffe durch ein Symbol mit Klammer. Die Kennzeichnung ist notwendig,
da die Bildungswärmen z.B. von Wasser und Wasserdampf unterschiedlich
sind. Es bedeutet:
(s) fest, (l)
flüssig und (g) gasförmig
Reaktionswärmen von chemischen Reaktionen
misst man mit einem Kalorimeter. Manchmal lassen sich die Reaktionswärmen
jedoch nicht direkt mit dem Kalorimeter messen, z.B. bei der Bestimmung
der Bildungswärme von Kohlenstoffmonoxid.
Bei der Verbrennung von Kohlenstoff entsteht neben Kohlenstoffmonoxid auch
immer Kohlenstoffdioxid. Folgende Reaktionswärmen
lassen sich aber messen:
C (s) + O2 (g)
-----> CO2 (g) DHR
= -393 kJ/mol
CO (g) + 1/2 O2
(g) -----> CO2 (g) DHR
= -282 kJ/mol
Hier hilft das Gesetz der konstanten
Wärmesummen (auch als Satz von Heß bezeichnet):
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Nach dem Satz von Heß erhält
man bei der Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid gleich viel
Wärme, wie bei der Verbrennung über die Zwischenstufe über
das Kohlenstoffmonoxid. Aus der Grafik kann abgelesen werden, dass die
Bildungsenthalpie von Kohlenstoffmonoxid -111 kJ/mol beträgt.