Hydrazin im Satelliten
AFB I–IIKleine Steuerdüsen von Satelliten werden mit Hydrazin (N₂H₄, flüssig) betrieben. Am Iridium-Katalysator zerfällt es unter starker Wärmeentwicklung in Gase, die aus der Düse strömen. Ohne Katalysator lässt sich Hydrazin jahrelang im Tank lagern.
Standard-Bildungsenthalpie: \(\Delta_f H^\circ(\ce{N2H4},\text{l}) = +50{,}6\,\text{kJ/mol}\); \(M(\ce{N2H4}) = 32{,}05\,\text{g/mol}\).
- Formulieren Sie die Bildungsgleichung, auf die sich \(\Delta_f H^\circ(\ce{N2H4})\) bezieht, und erläutern Sie die Bedingungen der Definition.
- Deuten Sie das positive Vorzeichen von \(\Delta_f H^\circ(\ce{N2H4})\) in einem Energiediagramm.
- Berechnen Sie die Wärme, die beim Zerfall von 1,00 kg Hydrazin in Stickstoff und Wasserstoff frei wird.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Da Hydrazin energiereicher ist als seine Elemente, kann man es nicht lagern.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{N2(g) + 2 H2(g) -> N2H4(l)}\). Standard-Bildungsenthalpie: Enthalpieänderung bei der Bildung von 1 mol Stoff aus den Elementen in ihrer stabilsten Form (hier N₂(g), H₂(g)) bei 25 °C und 101,3 kPa; Aggregatzustand des Produkts (flüssig) angeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Bildung aus den Elementen ist endotherm; Hydrazin liegt 50,6 kJ/mol über dem Niveau der Elemente (Nulllinie). Es ist energiereicher als N₂ und H₂ und damit energetisch instabil gegenüber dem Zerfall in die Elemente.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{N2H4(l) -> N2(g) + 2 H2(g)}\), \(\Delta_r H^\circ = -50{,}6\,\text{kJ/mol}\). \(n = 1000\,\text{g}/32{,}05\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}\) \(= 31{,}2\,\text{mol}\); \(\Delta H = 31{,}2\,\text{mol}\cdot(-50{,}6\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}})\) \(= -1579\,\text{kJ}\), also rund 1,58 MJ Wärme.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist falsch. Die positive Bildungsenthalpie zeigt nur, dass der Zerfall exotherm wäre. Ohne Katalysator verläuft er so langsam, dass Hydrazin lagerfähig ist (metastabil, kinetisch gehemmt). Erst der Katalysator setzt den Zerfall in Gang — genau das nutzt die Steuerdüse.
Verzweigt ist stabiler
AFB II–IIIIn der Raffinerie werden unverzweigte Alkane zu verzweigten Isomeren umgelagert (Isomerisierung), weil verzweigte Alkane als Kraftstoff klopffester sind. Die Tabelle enthält Standard-Bildungsenthalpien (Isobutan = 2-Methylpropan, Isooctan = 2,2,4-Trimethylpentan).
| Stoff | Formel | \(\Delta_f H^\circ\) in kJ/mol |
|---|---|---|
| n-Butan (g) | C₄H₁₀ | −125,6 |
| Isobutan (g) | C₄H₁₀ | −134,2 |
| n-Octan (l) | C₈H₁₈ | −250,1 |
| Isooctan (l) | C₈H₁₈ | −259,2 |
- Erklären Sie, warum sich Isomere allein über ihre Standard-Bildungsenthalpien energetisch vergleichen lassen.
- Ermitteln Sie die Reaktionsenthalpie der Isomerisierung von n-Butan zu Isobutan.
- Skizzieren Sie ein Energiediagramm mit den Niveaus der Elemente, von n-Octan und von Isooctan.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Weil Isooctan stabiler ist, liefert es bei der vollständigen Verbrennung weniger Wärme pro Mol als n-Octan.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Isomere haben dieselbe Summenformel. Beide werden aus denselben Elementportionen gebildet (z. B. 4 C (Graphit) + 5 H₂(g)) — gleicher Ausgangspunkt, die Nulllinie. Der Unterschied der Bildungsenthalpien ist daher direkt der Energieunterschied der Isomere.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta_r H^\circ = \Delta_f H^\circ(\text{Isobutan}) - \Delta_f H^\circ(\text{n-Butan})\) \(= -134{,}2\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} - (-125{,}6\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}})\) \(= -8{,}6\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\): die Umlagerung ist schwach exotherm.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Oberes Niveau: 8 C (Graphit) + 9 H₂(g), \(H = 0\). Darunter n-Octan (l) bei −250,1 kJ/mol, noch tiefer Isooctan (l) bei −259,2 kJ/mol. Pfeile von der Nulllinie nach unten jeweils mit \(\Delta_f H^\circ\) beschriftet; Abstand der Isomere 9,1 kJ/mol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zutreffend: Beide Isomere verbrennen zu denselben Produkten (8 CO₂ + 9 H₂O) auf demselben Endniveau. Isooctan startet 9,1 kJ/mol tiefer, der Abstand zum Endniveau ist also um 9,1 kJ/mol kleiner. Bezogen auf etwa 5470 kJ/mol ist der Unterschied mit rund 0,2 % allerdings unbedeutend; der Vorteil von Isooctan liegt in der Klopffestigkeit, nicht im Energiegehalt.