EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Der Satz von Heß KM-5: Substanz und Energie 79 79 Satz von Heß Viele Bildungsenthalpien lassen sich nicht direkt bestimmen, weil die Reaktion Elemente → Verbindung nicht eindeutig abläuft. Zu ihrer Bestimmung dienen die leicht messbaren Reaktionsenthalpien der Verbrennungsreaktionen. Aus den Messdaten kann man die Enthalpien der gesuchten Reaktion berech- nen. Dazu wendet man den „Satz von Heß“ an: „Die Enthalpieänderung ist vom Reaktionsweg unabhängig“. (Diese Aussage ist natürlich nur ein Spezialfall des allgemeinen Energieerhaltungssatzes, angewandt auf chemische Reaktionen.) Ein Beispiel wäre die Bildung von Kohlenstoffmonoxid. Ein Teil des Kohlenstoff- monoxids reagiert immer sofort weiter zu Kohlenstoffdioxid. Die Bildungsenthalpie lässt sich aber auf Umwegen bestimmen, indem man die Reaktionsenthalpie für die vollständige Verbrennung des Grafits und die Reakti- onsenthalpie für die Verbrennung von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid misst. (Abb. 79–1). Heizwert – Brennwert Der Heizwert (Brennwert) ist die Energie, die bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg eines Stoffes frei wird (Einheit: kJ/kg). Ist eines der Produkte Wasser, so ist es nicht egal, ob Wasser nach der Verbrennung als Wasserdampf oder als flüssiges Wasser vorliegt. Daher sind in der Tabelle auf Seite 316 zwei Werte für die Bildungsenthalpie von Wasser angeführt. ∆ H f ∅ (H 2 O (l) ) = –285,8 kJ/mol ∆ H f ∅ (H 2 O (g) )= –241,8 kJ/mol Die Differenz ist die Kondensationswärme von Wasser. In diesen Fällen bezeich- net man als Heizwert die Energie für die Reaktion zu Wasserdampf und als Brennwert die (größere) Energie zum Reaktionsprodukt H 2 O (l) . Heute versucht man die Kondensationswärme von Wasser bei der Verbrennung von Erdgas und Heizöl auszunutzen, indem man die Abgase bei möglichst tiefer Temperatur ab- führt (Brennwertkessel). Beispiel Berechnung des Brennwerts 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 ∅ = ∑∆ H f ∅ Produkte – ∑∆ H f ∅ Edukte ∆ H R ∅ = 2 · ∆ H f ∅ (CO 2 ) + 3 · ∆ H f ∅ (H 2 O) – ∆ H f ∅ (C 2 H 5 OH) ∆ H R ∅ = 2 · (–393,5) + 3 · (–285,8) – (–277,6) = –1366,8 kJ n (Ethanol) = 1000/46 = 21,74 mol H = ∆ H · n = – 29713,0 kJ/kg Heiz- und Brennwert werden zumeist ohne negatives Vorzeichen angegeben. Streben nach dem Energieminimum Die aus dem täglichen Leben bekannten freiwillig ablaufenden Reaktionen sind fast immer exotherm. Dies führte zur Auffassung, dass der Antrieb für Prozesse das „Streben nach dem Energieminimum“ ist. Dies ist zwar ein prinzipiell richti- ger Schluss, doch gibt es auch Beispiele für endotherme freiwillige Reaktionen, zB das Lösen mancher Salze (zB NH 4 Cl) in Wasser, die Zersetzung von N 2 O 5 , aber auch physikalische Vorgänge, zB das Verdunsten von Wasser. Es ist überhaupt das Vorhandensein von Gasen und Flüssigkeiten in unserer Umwelt ein Beweis, dass die Enthalpie nicht die einzige maßgebliche Größe für die Spontaneität von Reaktionen sein kann. Wenn das Streben nach Ener- gieminimierung einzig entscheidend wäre, wären alle Stoffe unter Abgabe der Kondensations- bzw. Erstarrungswärme Festkörper. Daher muss es noch einen weiteren Antrieb für Reaktionen geben, der endotherme Reaktionen gegen das Streben nach dem Energieminimum zum Ablaufen zwingt. Dieser Antrieb wird Entropie genannt. (Griech.: entrepein = umkehren) Und wie hoch wird dein Heizwert sein? Schüler-Experiment 3.7 und 3.8 Wirkungsgrad der Butangasverbrennung Lösungsenthalpie von Natriumthiosulfat Üb Übungen 79.2 bis 79.3 Der Heizwert 2. Berechne den Heizwert von Ethanol. 3. Berechne den Heizwert und den Brennwert von Benzen (C 6 H 6 )! Um wieviel % lässt sich die Energieaus- beute bei Benützung eines Brenn- wertgerätes steigern? C CO CO 2 ∆H B CO 2 ∆H B CO –393,5 kJ/mol –283 kJ/mol –110,5 kJ/mol CO 2 ∆H R CO messbare Größen nur berechenbare Größe Üb Übung 79.1 Der Satz von Heß Berechne die Standardbildungsenthalpie von N 2 O 5 aus folgenden Angaben: 2 NO + O 2 → 2 NO 2 ∆ H R = –114,1 kJ 4 NO 2 + O 2 → 2 N 2 O 5 ∆ H R = –110,2 kJ N 2 + O 2 → 2 NO ∆ H R = +180,5 kJ VS Abb. 079–1: Satz von Heß Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv