Die Wärmebilanz chemischer Reaktionen

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1 Die Wärmebilanz chemischer Reaktionen M. Seitz, M. Steinbrenner und P. Zachmann

2 1. Einleitung 2. Die Wärmebilanz chemischer Reaktionen mit Hilfe der Entropie 3. Die Gibbs-Helmholtz- Gleichung 4. Altlasten der Chemie S 2

3 1. Einleitung Bildungsplan 2004 Bildungsstandards für Chemie Klasse 10: 3. Chemische Reaktionen chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten erläutern (endotherme und exotherme Reaktionen) Kursstufe (4h): 1. Chemische Energetik endotherm, exotherm Änderungen der Entropie bei chemischen Reaktionen abschätzen S 3

4 1. Einleitung Bildungsplan 2004 Bildungsstandards für Physik Klasse 10: 8. Grundlegende physikalische Größen Entropie, Entropieerzeugung Bildungsstandards für Naturwissenschaft u. Technik Klasse 10: 1. Prinzipien Energieträger Energiespeicher Energiestrom Entropieerzeugung S 4

5 Entropie-Inhalte Bei gleichem Entropie-Inhalt befinden sich verschiedene Stoffe auf unterschiedlicher Temperatur. S 5

6 Entropie-Inhalte Bei gleicher Temperatur enthalten verschiedene Stoffe unterschiedlich viel Entropie. S 6

7 Entropie-Erzeugung ENERGIE galvanische ENERGIE μ A hoch Edukte A Zelle φ B hoch μ B niedrig Produkte B Elektrizität φ A niedrig Frage: Wo bleibt die Energie, wenn die Reaktion frei abläuft? S 7

8 Entropie-Erzeugung Freier Fall des Wassers: Entropieerzeugung Kurzschluss einer Batterie: Entropieerzeugung Vermutung: Läuft eine Reaktion frei ab, so wird dabei Entropie erzeugt. S 8

9 Entropie-Erzeugung E T S erz µ n(r) T S erz µ n(r) S erz T S 9

10 Entropie-Bilanz 1. Beispiel: Zn + I 2 ZnI 2 (aq) S erz µ n(r) T S erz = G 1 mol /298 K = 839,43 Ct S 10

11 Entropie-Bilanz 2. Beispiel: NaHCO 3 (s) + HCl (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Für n(r) = 1 mol und T = 298 K gilt: S Edukte = 102,09 Ct + 56,48 Ct = 158,57 Ct S erz = G 1 mol /298 K = 139,50 Ct S 11

12 Entropie-Bilanz Für die Produkte stehen demnach zur Verfügung: 158,57 Ct + 139,50 Ct = 298,07 Ct Für die Produkte werden gebraucht: S Produkte = 115,47 Ct + 69,61 Ct + 213,64 Ct = 399,02 Ct Demnach werden pro mol Umsatz gebraucht: S zu = 399,02 Ct 298,07 Ct = 100,95 Ct Die Reaktion verläuft endotherm. S 12

13 Entropie-Bilanz 1. Beispiel: Zn + I 2 ZnI 2 (aq) Korrekte Entropiebilanz: S Edukte = 41,63 Ct + 116,14 Ct = 157,77 Ct S erz = G 1 mol /298 K = 839,43 Ct Für die Produkte stehen demnach zur Verfügung: 157,77 Ct + 839,43 Ct = 997,20 Ct S 13

14 Entropie-Bilanz Für die Produkte werden gebraucht: S Produkte = 110,45 Ct Demnach bleibt übrig: S ab = 997,20 Ct 110,45 Ct = 886,75 Ct Die Reaktion verläuft exotherm. S 14

15 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Frei umladbare Energie: Beispiel: elektrischer Energiebedarf kj μ A hoch μ B niedrig ENERGIE Edukte A Produkte B H 2 /O 2 - Brennstoffzelle ENERGIE Elektrizität φ B hoch φ A niedrig 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (l) µ = 2 µ(h 2 ) + µ(o 2 ) - 2 µ(h 2 O) = 474,4 kg S 15

16 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Frei umladbare Energie: Beispiel: elektrischer Energiebedarf kj E herein µ n(r) n(r) = E heraus = kj kj 474,4 kj mol 37,9 mol da n(r) 1 n(h2) gilt : n(h2) 75,8 mol 2 S 16

17 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Heizenergie: Beispiel: thermischer Energiebedarf kj 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (l) S zu/ab = S erz + S Edukte - S Produkte Für n(r) = 1 mol gilt: S erz S Edukte S Produkte = 1590 Ct = 466,2 Ct = 139,8 Ct S ab = 1590 Ct + 466,2 Ct 139,8 Ct = 1916,4 Ct S 17

18 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Heizenergie: Beispiel: thermischer Energiebedarf kj Für n(r) = 1 mol gilt: E heiz = T S ab = 298 K 1916,4 Ct = 571 kj n(r) kj 571 kj mol 31,5 mol n(h 2 ) = 63 mol S 18

19 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung kj elektrische Energie Heizenergie 75,8 mol H 2 63 mol H 2 S 19

20 3. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (l) R G = - n(r) R G = - 474,4 kg 1 mol = - 474,4 kj - T (S Edukte - S Produkte )= - 97,25 kj R H = R G - T (S Edukte - S Produkte ) R H = -(474,4 kj +97,25kJ) = -571,65 kj R H = R G + T (S Produkte - S Edukte ) R G = R H - T R S Gibbs-Helmholtz- Gleichung S 20

21 4. Altlasten der Chemie Artikelreihe Altlasten der Physik in Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule altlast/index.html S 21

22 4. Altlasten der Chemie Chemische Energie - chemische Energie der Nahrung, die wir für unsere Lebensvorgänge nutzen... - chemische Energie der fossilen Brennstoffe - Energie des Sonnenlichts wird durch die Photosynthese in chemischer Form gespeichert - In galvanischen Zellen laufen Redoxreaktionen freiwillig unter Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ab. S 22

23 4. Altlasten der Chemie Was ist mit chemischer Energie gemeint? Unterschied der Inneren Energie des Systems vor und nach der chemischen Reaktion Δ R U (auch Reaktionsenergie )? Änderung der Enthalpie des Systems Δ R H (auch Reaktionsenthalpie )? z.b. die Heizanlagen oder Wärmekraftmaschinen mit Brennstoffen zugeführte Energie: E z = m B H u bzw. E z = m B H o mit m B = Masse des Brennstoffs H u = unterer Heizwert ( spezifischer Heizwert ) wenn H 2 O(g) bzw. H o = oberer Heizwert ( spezifischer Brennwert ) wenn H 2 O(l) Maximale Nutzarbeit, für beliebige Zwecke frei verfügbare Energie Δ R G ( Freie Reaktionsenthalpie, Gibbs-Energie )? S 23

24 4. Altlasten der Chemie Energiediagramme aus Asselborn/Jäckel/Risch: Chemie heute, SI Baden-Württembeg. Hannover: Schroedel- Verlag S 24

25 4. Altlasten der Chemie Energiediagramme aus Eisner u.a.: Elemente Chemie I, Baden-Württemberg. Stuttgart: Klett-Verlag S 25

26 4. Altlasten der Chemie Energiediagramme aus Tausch/v. Wachtendonk: Chemie SII, Stoff-Formel-Umwelt. Bamberg: C.C.Buchner-Verlag S 26

27 4. Altlasten der Chemie Energiediagramme aus Asselborn/Jäckel/Risch: Chemie heute, Sekundarbereich II. Hannover: Schroedel-Verlag aus Dehnert u.a.: Allgemeine Chemie. Hannover: Schroedel-V. S 27

28 4. Altlasten der Chemie Prinzip von J. Thomsen und M. Berthelot (1878) Die bei einer chemischen Reaktion frei werdende Wärmemenge und die Beständigkeit der bei diesen Reaktionen spontan sich bildenden Produkte sind ein Maß für die chemische Affinität. S 28

29 4. Altlasten der Chemie Energiediagramme aus Atkins: Physikalische Chemie. Weinheim, Wiley-VCH- Verlag Dargestellt ist die Änderung der potenziellen Energie der Reaktanten A und B im Verlauf einer bimolekularen Elementarreaktion. Die Reaktionskoordinate stellt den Verlauf eines einzelnen reaktiven Ereignisses (des Stoßes zweier Moleküle in der Gasphase) dar. ( Theorie des aktivierten Komplexes in der Molekularen Reaktionsdynamik) S 29

30 Ende

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