Elemente, Schulbuch

51 3.3 TherMOcheMIe sind temperaturabhängig. Aus diesem Grund wurde die Temperatur von 25 °C = 298 K als Standardbedingung für Reaktionsenthalpiemessungen festgelegt. (Der Druck bei Standardbedingungen beträgt wie der bei Normalbedingungen 1,013 bar.) Bei Standardbedingungen ermittelte Werte werden mit hochgestelltem „°“ gekennzeich- net. Bei anderen Temperaturen gemessene Reaktionsenthalpien unterscheiden sich, solange der Aggregatzustand derselbe ist wie bei 298 K, allerdings nur wenig von den bei 298 K ermittelten Werten. Daher lassen sich Standardreaktionsenthalpien ohne großen Verlust an Genauigkeit auf Reaktionen bei anderen Temperaturen übertragen. Weiters sind für Enthalpiebestimmungen nur die Anfangs- und Endtem- peratur entscheidend. Die Reaktionstemperatur kann zwischenzeitlich größer sein, solange die Endstoffe wieder die Temperatur von 25 °C erlangen. Damit nicht alle Reaktionsenthalpien experimentell ermittelt werden müssen, wurde ein Bezugszustand gewählt. Die Enthalpie von Elementen bei Standardbedingungen in ihrer energieärmsten Form (zB das Element Kohlenstoff in der Form des Grafits) wurde willkürlich gleich null gesetzt. Durch Bestimmung der Reaktionsenthalpien (∆ H R ), die bei der Bildung einer Verbindung aus den Elementen entsteht, erhält man die Standardbildungsenthalpie ∆ H B ° einer Verbindung (meist kurz Bildungsenthalpie genannt; Abb. 51.3). Die Standardbildungsenthalpie bezieht sich immer auf 1 Mol der gebildeten Verbin- dung und besitzt daher die Einheit kJ/mol. H 2(g) + 1 / 2 O 2(g) → H 2 O (l) ∆ H R = ∆ H B ° = –285,8 kJ/mol H 2(g) + 1 / 2 O 2(g) → H 2 O (g) ∆ H R = ∆ H B ° = –241,8 kJ/mol Neben der Molanzahl ist auch der Aggregatzustand der Verbindung zu beachten. Die Standardbildungsenthalpie für Wasserdampf hat zB einen um die Verdampfungs- wärme von 1 Mol Wasser kleineren Wert. Viele Bildungsenthalpien lassen sich nicht direkt bestimmen, weil die Reaktion (Ele- mente → Verbindung) nicht eindeutig abläuft. Zu ihrer Bestimmung dienen die leicht messbaren Reaktionsenthalpien der Verbrennungsreaktionen (dh. Reaktions- enthalpien für die Verbrennung von 1 Mol der Verbindung). Aus deren Messdaten kann man die Enthalpien der gesuchten Reaktion berechnen. Dazu wendet man den „ Satz von Heß “ an: „Die Enthalpieänderung ist vom Reaktionsweg unabhängig“ ( Germain Henri Heß , 1802–1850, russischer Chemiker Schweizer Herkunft). Diese Aussage ist natürlich nur ein Spezialfall des allgemeinen Energieerhaltungssatzes, angewandt auf chemische Reaktionen. Ein Beispiel wäre die Bildung von Kohlenstoffmonoxid. Ein Teil des Kohlenstoffmon- oxids reagiert immer sofort weiter zu Kohlenstoffdioxid. a) C + 1 / 2 O 2 → CO ∆ H R = ∆ H B ° (CO) = ? Die Bildungsenthalpie lässt sich aber auf Umwegen bestimmen, indem man die Re- aktionsenthalpie für die vollständige Verbrennung des Grafits und die Reaktionsen- thalpie für die Verbrennung von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid misst. b) C + O 2 → CO 2 ∆ H R = ∆ H B ° (CO 2 ) = –393,5 kJ c) CO + 1 / 2 O 2 → CO 2 ∆ H R ° = –283 kJ Die Bildung von 1 Mol Kohlenstoffdioxid liefert –393,5 kJ. Da auch die Addition der Reaktionen a) und c) zur Bildung von Kohlenstoffdioxid aus den Elementen führt, können nach dem Energieerhaltungssatz keine unterschiedlichen Energiebeträge zum selben Endergebnis führen. Die Reaktionsenthalpie für die Bildung von Kohlen- stoffmonoxid lässt sich nun leicht berechnen (siehe Abb. 51.4): x = (–393,5) – (–283) = –110,5 kJ ⇒ ∆ H B ° (CO) = –110,5 kJ/mol Mit Hilfe der Bildungsenthalpien lässt sich mit dem Satz von Heß jede Reaktionsen- thalpie berechnen. Daher sind einige Bildungsenthalpien im Tabellenanhang aufge- listet. ∆ H R ° = ∑ n • ∆ H B ° (Endprodukte) – ∑ n • ∆ H B ° (Ausgangsstoffe) Beachte: Die Reaktionsenthalpie bezieht sich immer auf die in der Reaktionsglei- chung angegebenen Stoffumsätze! Stoff ∆ H B ° in kJ/mol Elemente 0 H 2 O (l) –285,8 SO 2 –296,9 H 2 S –20,1 CO 2 –393,5 CO –110,5 NH 3 –46,1 HCl –92,3 NO 2 33,8 N 2 O 4 9,7 N 2 O 5 –10,0 C 2 H 5 OH –277,6 Standardbedingungen 25°C = 298 K 1 bar Abb. 51.2: Standardbedingungen Abb. 51.1: Kalorimeter Abb. 51.3: Standardbildungsenthalpien Abb. 51.4: Satz von Heß Substanz Wasser Thermometer Probenhalterung Zündstromleitung Sauerstoffzuleitung Rührer C CO CO 2 ∆ H B CO 2 ∆ H B CO ∆ H R CO → CO 2 –393,5 kJ/mol –283 kJ/mol –110,5 kJ/mol Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv