1.1 Energie chemischer Systeme
Energiebilanzen stellt man immer aus Sicht des Systems auf — was hineingeht, zählt positiv.
Systeme
Offen: Stoff- und Energieaustausch. Geschlossen: nur Energie. Isoliert: kein Austausch.
Innere Energie
Gesamte Energie aller Teilchen: Bewegung, Anziehung, Bindungen. Messbar ist nur die Änderung.
Erster Hauptsatz
Energie geht nicht verloren: Wärme und Arbeit ändern die innere Energie.
Reaktionsenthalpie
Bei konstantem Druck ausgetauschte Wärme. Exotherm: \(\Delta_r H<0\); endotherm: \(\Delta_r H>0\).
Gleichung umkehren, Vorzeichen umkehren
\(\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O(l)}\): \(-571{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) · \(\ce{H2O(l) -> H2 + 1/2 O2}\): \(+285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Angabe gilt immer für den Formelumsatz der notierten Gleichung.
1.2 Enthalpien messen und berechnen
Gemessen wird mit dem Kalorimeter, berechnet mit Tabellenwerten und dem Satz von Hess.
Kalorimetrie
Das Wasser nimmt die Reaktionswärme auf; Wärmeverluste machen \(|\Delta_r H|\) zu klein.
Standard-Bildungsenthalpie
Bildung von 1 mol Verbindung aus den Elementen im Standardzustand (25 °C, ≈ 1 bar).
Satz von Hess
\(\Delta_r H\) hängt nur von Anfangs- und Endzustand ab. Teilgleichungen addieren, umkehren, vervielfachen.
Lösungsenthalpie
Gitter zerlegen (Energie nötig) + Ionen hydratisieren (Energie frei).
Brennwert
Frei werdende Wärme pro Masse, Wasser flüssig. Heizwert: Wasser gasförmig (kleiner).
Stoffmenge
Verbindet Masse und molare Größen — fast jede Rechnung braucht sie.
Typische Zahlen
\(c_W=4{,}19\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) · Methan \(55{,}5\), Octan \(47{,}9\), Ethanol \(29{,}7\), Wasserstoff \(141{,}8\,\mathrm{MJ\,kg^{-1}}\) (Brennwerte).
1.3 Aktivierungsenergie und Katalyse
Das Vorzeichen von \(\Delta_r H\) sagt nichts über die Geschwindigkeit — dafür ist die Aktivierungsenergie zuständig.
Aktivierungsenergie
Mindestenergie, die Teilchen beim Zusammenstoß für die Reaktion brauchen; vom Edukt-Niveau zum Übergangszustand.
Energieverteilung
Nur Teilchen mit \(E\ge E_A\) reagieren. Höhere Temperatur: dieser Anteil wächst stark.
Katalysator
Anderer Reaktionsweg mit kleinerer \(E_A\); wird nicht verbraucht; ändert \(\Delta_r H\) nicht.
Beispiele
Braunstein oder Platin bei \(\ce{H2O2}\), Katalase (Enzym), Abgaskatalysator (Pt, Pd, Rh).
Ablesen im Energiediagramm
\(E_A\) immer vom Niveau der Edukte bis zum Maximum messen, \(\Delta_r H\) von den Edukten zu den Produkten — nie vom Nullpunkt der Achse.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Diese drei Stellen kosten in der Klausur am häufigsten Punkte.
Vorzeichen und Einheit
Exotherm heißt negativ. Ergebnis immer mit Vorzeichen und Einheit angeben: J oder kJ, pro mol oder pro Formelumsatz.
Koeffizienten und Aggregatzustände
Jedes \(\Delta_f H^\circ\) mit seinem Koeffizienten multiplizieren; Elemente im Standardzustand sind 0; \(\ce{H2O(l)}\) und \(\ce{H2O(g)}\) unterscheiden sich um \(44\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Kalorimetrie sauber auswerten
In \(Q=c\cdot m\cdot\Delta T\) steht die Masse des Wassers (bzw. der Lösung). Erst \(Q\) in kJ, dann \(n\), dann \(\Delta_r H=-Q/n\) — und Wärmeverluste als Fehlerquelle nennen.
