5 Reaktionswärme – Q

Bestimmung der Reaktionswärme – Q. 
Bsp: Quantitative Umsetzung von Zink (n(Zn) = 1mol, M(Zn) = 65,4 g/mol) anfällt.

Bildung eines gasförmigen Reaktionsproduktes

1. bei konstantem Volumen = Hahn geschlossen
2. bei konstantem Druck = Hahn geöffnet

Teilchengleichung:

Zn + 2 H₃O⁺ (aq) + 2 Cl⁻ (aq) → Zn²⁺ (aq) + 2 Cl⁻ (aq) + 2 H₂O + H₂

Freigesetze Reaktionswärme:
bei konstantem Volumen: Q_V = -156,5 kJ/mol = ΔU
Änderung der Inneren Energie = Reaktionswärme + Volumenarbeit
ΔU = Q_V + W
ΔU = Q_V - p ∙ ΔV

Q_V = Δ U + p ∙ 0
Q_V = Δ U

bei konstantem Druck: Q_p = - 154,0 kJ/mol = ΔH
Bei konstanten Druck gilt:
ΔU = Q_p + W
Δ U = Q_p – p ∙ Δ V Umstellen nach Q
Q_p = Δ U + p ∙ Δ V (= Q_p = [U₂ + p ∙ V₂] – [U₁ + p ∙ V₁] )

Enthalpie H ist die spezielle Wärmeenergie bei konstantem Druck
(H von „heat“; Enthalpie: griech: En = darin; thalpos = Wärme)
Definition der Enthalpie: H = U + p ∙ V
→  Q_p = H₂ – H₁ = ΔH

Prozessgrößen: Sind vom Weg abhängig (Bsp. Arbeit und Wärme) ⇨ unterschiedliche Werte, je nachdem ob man isobar oder isochor arbeitet.


a) Offene Systeme 

• die meisten chemische Reaktionen
• Volumenarbeit
• nicht alles fällt als Wärmeenergie an:

Das entstehende Gas leistet mech. Arbeit gegen den Atmosphärendruck. Die gleiche Arbeit wird auch geleistet, wenn der Kolben fehlt (Außenluft wird verdrängt).

Die Arbeit des Kolbens beträgt: p ∙ Δ V = Volumenarbeit

Änderung Reaktionsenthalpie = Änderung Reaktionsenergie + Volumenarbeit
Δ H = Δ U + p ∙ ΔV

Beispiel:
H₂SO₄ (l) + CaCO₃ (s) → CaSO₄ (s) + H₂O (l) + CO₂ (g)

Vm (CO₂) = 24,5 L/mol (bei 25 °C und 101,3 kPa = 101 300 N/m²);
ΔU = - 96,1 kJ/mol

Bei der Reaktion von 1 mol Schwefelsäure:

p ∙ ΔV = 101 ∙ 10³ N/m² ∙ 24,5 ∙ 10-3 m³/mol
= 2,5 ∙ 10³ J/mol ( J = N ∙ m )
= 2,5 kJ/mol

ΔH = Δ U + p ∙ ΔV
= - 96,1 kJ/mol + 2,5 kJ/mol
= - 93,6 kJ/mol

b) Geschlossene Systeme
• keine mechanische Arbeit ⇨ Δ V = 0
• Die bei einer chemischen Reaktion gesamte freigesetzte Energie kann als Wärmeenergie anfallen (Ausnahme: z.B. Lichtenergie)
• Gesamtenergie = Reaktionsenergie ΔU (vgl. oben)
Δ Q = Δ U + p ∙ 0
Δ Q = Δ U

Merke: Die Energiemenge, die ein System bei konstantem Druck als Wärme an die Umgebung abgibt oder von ihr aufnimmt, wird Reaktionsenthalpie ΔH genannt.

Beispiele für chemische Reaktionen mit Volumenarbeit: