Elemente und Moleküle, Schulbuch

41 3.1 grUnDlagen Die Faktoren in der Reaktionsgleichung bedeuten immer das Molverhältnis der re- agierenden Stoffe (7,5 Sauerstoff-Moleküle gibt es nicht, 7,5 mol Sauerstoff aber schon!). Das Molverhältnis 1:7,5 wird bei der Verbrennung aber immer eingehalten, egal ob 1 mol oder ein Tankwagen voll Benzen verbrennt. Liegt ein Stoff im Über- schuss vor, so geht das nicht in die Reaktionsgleichung ein. So verbraucht man bei der Verbrennung von Magnesium eine gewisse Menge Sauerstoff – halb so viele Moleküle wie Magnesium-Atome –, im Raum ist aber ungleich mehr vorhanden! Die Reaktionsgleichung lautet dann: 2 Mg + O 2 → 2 MgO Nicht alle Stoffe reagieren vollständig. So liegt bei der Reaktion von N 2 mit H 2 zu Ammoniak (NH 3 ) am Ende der Reaktion ein Gasgemisch aller drei Stoffe vor. N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3 Man muss sich bewusst sein, dass trotz der „räumlichen“ Trennung durch den Re- aktionspfeil alle Stoffe im Reaktionsgemisch vorhanden sein können. Wie vollständig eine Reaktion abläuft, ist aus der Reaktionsgleichung nicht ersicht- lich. Will man ein Produkt rein erhalten, so schließen nach der chemischen Reaktion noch – meist physikalische – Trenn- und Reinigungsverfahren an. Zur vollständigen Beschreibung einer Reaktion wird auch der Energieumsatz – zu- mindest qualitativ – angeschrieben. Die bei chemischen Reaktionen umgesetzte Energie bezeichnet man als Enthalpieänderung ∆ H R der Reaktion. (Griech.: thalpein = erwärmen) Sind die Endstoffe energieärmer als die Ausgangsstoffe, so wird Ener- gie abgegeben. Solche Prozesse nennt man exotherm und die Enthalpieänderung ∆ H erhält ein negatives Vorzeichen. Bei endothermen Reaktionen sind die Endstof- fe energiereicher und ∆ H erhält ein positives Vorzeichen. Die Reaktionsenthalpie ∆ H R kann mit Hilfe eines Kalorimeters bestimmt werden. Damit nicht alle Reaktionsenthalpien experimentell ermittelt werden müssen, wur- de ein Bezugszustand gewählt. Die Enthalpie von Elementen bei Standardbedingun- gen (Abb. 41.3) wurde willkürlich null gesetzt. Durch Bestimmung der Reaktionsen- thalpie, die bei der Bildung einer Verbindung aus den Elementen entsteht, erhält man die Standardbildungsenthalpie von Verbindungen ( H B ). Die Bildungsenthalpien von einigen Stoffen sind im Tabellenanhang angeführt. Mit Hilfe dieser Werte lässt sich die Reaktionsenthalpie für jede Reaktion berechnen. Beispiele: Beachte: Die Reaktionsenthalpie bezieht sich immer auf die in der Reaktionsglei- chung angegebenen Stoffumsätze! a) Bildung von Chlorwasserstoff aus den Elementen: H 2(g) + Cl 2(g) → 2 HCl (g) ∆ H R ° = 2 • ∆ H B ° (HCl) = –184,6 kJ ⇒ exotherme Reaktion b) Verbrennung von Ethanol (Alkohol in alkoholischen Getränken): C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) → 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (l) ∆ H ° R = 2 • ∆ H ° B (CO 2 ) + 3 • ∆ H ° B (H 2 O) – ∆ H ° B (C 2 H 5 OH) ∆ H ° R = 2 • (–393,5) + 3 • (–285,8) – (–277,6) = –1366,8 kJ ⇒ exotherme Reaktion ■ 41.1: Stell folgende Reaktionsgleichungen richtig: Fe 2 O 3 + Al → Al 2 O 3 + Fe FeS 2 + O 2 → SO 2 + Fe 2 O 3 Al + Cl 2 → AlCl 3 C 8 H 18 + O 2 → CO 2 + H 2 O ÜBUNGeN + 2 H 2 + (1) O 2 2 H 2 O Abb. 41.1: Die Knallgasreaktion Abb. 41.3: Standard- und Normalbedingungen Abb. 41.4: Formel zur Berechnung der Reaktions- enthalpie Abb. 41.2: Kalorimeter Substanz Wasser Thermometer Probenhalterung Zündstromleitung Sauerstoffzuleitung Rührer Standardbedingungen: 25 °C = 298 K 1 bar Normalbedingungen: 0 °C = 273 K 1 bar ∆ H R = ∑ H End - ∑ H Aus ■ 41.2: Erstell die Reaktionsgleichungen für folgende Reaktionen: Bildung von Ammoniak aus den Elementen, Zersetzung von Methan in die Elemente, Reakti- on von Wolfram(VI)-oxid mit Wasserstoff zu Wolfram und Wasserdampf. ■ 41.3: Berechne die Reaktionsenthal- pie für die Erdgasspaltung mit Wasserdampf für 1 mol Methan! CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 ÜBUNGeN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv