05 a – Unterrichtsmitschrift von Lorena
05 b – Unterrichtsmitschrift von Lorena
Energetik 05 – Zusammenfassung - Reaktionswärme und Volumenarbeit bei der Reaktion von Zn oder Mg mit HCl
V: 1 mol Zn (s) + 2 HCl (aq) → Zn2+ (aq) + 2 Cl- (aq) + H2 (g)
Wie hoch ist der Betrag der Reaktionswärme Qr?
Dies hängt davon ab, ob QrV=konst. oder Qrp=konst. bestimmt wird!
Energetik 05a - Reaktion von Zink mit Salzsäure in einer verschlossenen Apparatur
V: 1 mol Zn (s) + 2 HCl (aq) → Zn2+ (aq) + 2 Cl- (aq) + H2 (g)
Gibt man 1 mol Zink in verdünnte Salzsäure, so bildet sich in einer exothermen Reaktion 1mol gasförmiger Wasserstoff und eine Zinkchloridlösung.
Wie hoch ist der Betrag der Reaktionswärme Qr?
Dies hängt davon ab, ob QrV=konst. oder „Qrp=konst. bestimmt wird!
Die Frage ist also: Findet eine chemische Reaktion also bei konstantem Volumen (dies ist die Ausnahme) oder bei konstantem (dies ist der Normalfall) statt?
1. Der Ausnahmefall QrV: Konstantes Volumen => ΔV = 0.
Die Reaktion findet in einer (z. B. mit einem Hahn) geschlossenen Apparatur statt, deren Volumen sich nicht ändern kann. In einer verschlossenen Apparatur ist das Volumen konstant!
Weil das Volumen sich nicht ändern kann, erhöht sich durch die Wasserstoffentwicklung erhöht sich der Druck im Inneren der Apparatur.
Wir sagten bereits:
- Es gilt der Erste Hauptsatz der Thermodynamik ΔU= Q + W. Die Innere Energie U, die ein geschlossenes System an die Umgebung abgibt, geht nicht verloren, sondern wird in Form von Wärme Q oder verrichteter Arbeit W frei;
- Bezogen auf chemische Reaktionen gilt: ΔUr = Qr + W. Die Reaktionsenergie ΔUr ist gleich der Summe aus Reaktionswärme Qr und Volumen-Arbeit W. Einfacher gesagt: Reaktionsenergie ΔUr kann in Form von Reaktionswärme Qr oder verrichteter Volumen-Arbeit W frei werden.
Für die Volumenarbeit gilt W = - p•ΔV.
Wenn V = konstant ist, dann ist ΔV = 0 und so gilt:
- die geleistete Volumenarbeit (W = - p•ΔV) ist gleich null!
- entstehende Gase können sich nicht ausdehnen und keine Volumenarbeit verrichten!
Bei V = konst. gilt also: ΔUr= Qr,V + Null bzw. ΔUr= Qr,V
In Worten bedeutet dies: Läuft eine Reaktion bei einem konstanten Volumen ab, so ist die Reaktionsenergie ΔUr gleich der Reaktionswärme Qr,V.
Für die Reaktionswärme QrV der Reaktion 1mol Zink und Salzsäure gilt bei konstantem Volumen:
ΔUr = QrV + W
-156,5 kJ = -156,5 kJ + Null
Energetik 05b - Reaktion von Zink mit Salzsäure in einer nicht-verschlossenen Apparatur
2. Der Normalfall Qrp: Konstanter Druck“ => p = konst.: Die Reaktion findet in einer offenen Apparatur statt. Das Volumen kann so vergrößert werden, dass (trotz der Gasentwicklung) der Druck im Inneren konstant bleibt.
Wenn an die Apparatur ein Kolbenprober angeschlossen ist, der entstehende Gase auffängt, dann ist die Volumenvergrößerung bzw. die geleistete Volumenarbeit gut messbar:
Das entstehende Wasserstoff-Gas kann Volumenarbeit leisten, es kann den Kolbenstempel nach außen drücken. Der Kolbenstempel bewegt sich gegen den äußeren Druck der Umgebung.
Dabei wird das Volumen so vergrößert, dass der Gas-Druck im Inneren des Gefäßes konstant bleibt - nämlich so groß wie der äußere Luftdruck.
Auch wenn man den Kolben entfernt und das Gas einfach ausströmen lässt, so gilt:
Es wird die gleiche Volumenarbeit gegen den äußeren Luftdruck pa verrichtet.
Erinnern wir uns: Bezogen auf chemische Reaktionen gilt: ΔUr = Qr + W.
Reaktionsenergie ΔUr kann in Form Wärme Q oder verrichteter Arbeit W frei werden.
Unter konstantem Druck (Volumenarbeit ist möglich) wird ein großer Teil der Reaktionsenergie in Wärme, ein anderer Teil aber in Volumenarbeit umgewandelt.
Bei konstantem Volumen galt: ΔUr = QrV + W
-156,5 kJ = -156,5 kJ + Null
Bei konstantem Druck gilt aber: ΔUr = Qrp + W
-156,5 kJ = -154,0 kJ + (-2,5 kJ)
Energetik 05c – Videotipp für Experten - Telekolleg Chemie - Energie bei chemischen Reaktionen
Telekolleg Chemie – Energie bei chemischen Reaktionen
BR Telekolleg II Chemie Folge 16: Energie bei chemischen Reaktionen
Bei endothermen Reaktionen wird Energie aus der Umgebung aufgenommen. Die Reaktionsprodukte sind daher energiereicher als die Edukte.
Bei exothermen Reaktionen wird Energie an die Umgebung abgegeben. Die Reaktionsprodukte sind daher energieärmer als die Edukte.
In diesem Glasgefäß haben wir etwas verdünnte Salzsäure vorbereitet. Wir beobachten die Reaktion mit Magnesium, einem silberweißen Metall. Es schäumt auf, es entwickelt sich also ein Gas. Ist diese Reaktion nun exotherm oder endotherm, wird also Wärme abgegeben oder Wärme aufgenommen?
Wir prüfen das folgendermaßen: Dieses Wasser hat zunächst eine Temperatur von ca. 23,6 Grad Celsius. Ich stelle nun das Reaktionsgefäß in das Wasser herein. Nun warten wir ab, was das Thermometer anzeigt.
Zunächst aber: Um welches Gas handelt es sich dabei? Prüfen wir seine Brennbarkeit! Sammeln wir eine Probe dieses Gases in dem Reagenzglas. Nun kann man natürlich durch die Brennbarkeit alleine noch keine sicheren Schlüsse ziehen über die Natur dieses Gases, immerhin werden wir gewisse Anhaltspunkte bekommen. Sehen zu, ob sie schon genügend Gas entwickelt hat [Plopp!]. Ja also, das Gas ist offenbar brennbar! Wir tippen auf Wasserstoff, nähere Untersuchungen bestätigen das tatsächlich!
Hier kommt es uns aber auf etwas anderes an - auf den Energieumsatz. Sehen wir mal zu, ob sich die Temperatur geändert hat. Das Thermometer steht jetzt auf 27,2 Grad Celsius - offenbar mit steigender Tendenz.
Es handelt sich also offensichtlich um eine exotherme Reaktion, um eine Reaktion bei der Wärme vom Reaktionsgefäß nach außen an das umgebende Wasser abgegeben wird.
Häufig genügt es nun nicht einfach zu sagen, ob Energie abgegeben oder aufgenommen wird. Häufig kommt es auf den Betrag, auf die Größe dieser Energie an! Und dabei ist Folgendes zu bedenken:
Energie wird nicht nur in Form von Wärme [Q] umgesetzt, Energie kann auch in anderen Gestalten auftreten, beispielsweise als Arbeit [W]
Machen wir uns das klar. Lassen wir hier noch einmal Magnesium und verdünnte Salzsäure aufeinander wirken. Nun schließen wir diesmal einen Zylinder mit einem leicht beweglichen Kolben an.
Der Kolben wird von den sich entwickelnden Gas zurückgetrieben, nach außen getrieben.
Das Gas, das dabei entsteht, muss offenbar Arbeit leisten. Das liegt nicht so sehr daran, dass nun zwischen dem Kolben und der Zylinderwandung eine Reibung auftritt, es liegt vor allen Dingen daran dass, diese Bewegung gegen die Kräfte des äußeren Luftdrucks hervorgerufen werden muss.
Das sich entwickelnde Gas muss gewissermaßen gegen die äußere Luft ankämpfen. Dabei wird das Volumen so vergrößert, dass der Gasdruck konstant bleibt - nämlich so groß wie der äußere Luftdruck. Und dies gilt … auch dann, wenn wir nicht durch eine solche Kolbenbewegung diese Arbeit sozusagen verfolgen können.
Also in dem vorhergehenden Experiment [ohne Kolbenprober] war der Gasdruck ebenfalls konstant - nämlich so groß wie der äußere Luftdruck.
In solchen Fällen [bei denen Volumenarbeit durch entstehende Gase möglich ist] umfasst der Energieumsatz also nicht nur die entstehende Wärme sondern auch die mechanische Arbeit. Betrachten wir dies nun ein wenig näher:
Herrscht bei einer Reaktion ein konstanter Druck, so wird die dabei auftretende Reaktionswärme [ΔQrp], als Reaktionsenthalpie [ΔHr], bezeichnet.
Der Name Enthalpie hängt mit dem griechischen Wort für Erwärmen zusammen.
Die Reaktionsenthalpie [ΔHr], entspricht - wegen der zusätzlichen mechanischen Arbeit [ΔW] bei der Volumenänderung - nicht völlig der Reaktionsenergie [ΔUr], das heißt der gesamten bei der Reaktion umgesetzten Energie.
Die Reaktionsenthalpie [ΔHr], - also die Reaktionswärme bei konstantem Druck [ΔQrp] kann gemessen werden:
Bei der betrachteten Reaktion von Magnesium mit Salzsäure beispielsweise hat sie den Betrag 477 kJ, wenn sich 1 mol Magnesium (das sind 24,3 Gramm Magnesium) mit einer ausreichenden Salzsäure Menge vollständig umsetzt.
Da diese Reaktion exotherm ist (da also die reagierenden Stoffe eine Wärme von 477 kJ abgeben - gewissermaßen verlieren), ist es zweckmäßig die Reaktionsenthalpie durch den entsprechenden negativen Wert, also durch -477 KJ anzugeben.
Das Formelzeichen für Enthalpie ist H: Die bei einer Umwandlung der jeweiligen Edukte in die Produkte auftretende Reaktionsenthalpie stammt aus dem Enthalpiegehalt dieser Stoffe, so dass dieser entsprechend geändert wird.
Demgemäß wird die Reaktionsenthalpie mit Δ („delta“) H bezeichnet, wie ja auch sonst Differenzen oder Änderungen mit dem Symbol Δ zum Ausdruck gebracht werden
Speziell in den betrachteten Fall ist also ΔH = -477 kJ.
Die Reaktion von Salzsäure mit Magnesium ist also ein exothermer Vorgang, ein Vorgang mit negativer Reaktionsenthalpie.
[Wenn ΔH < 0 ist, sagt man: Die Reaktion ist exotherm.
Wenn ΔH < 0 ist, sagt man: Die Reaktion ist endotherm.]