Reaktion und Energie

Transkript

1 Reaktion und Energie Grundsätzliches Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe neu angeordnet, d. h. Bindungen werden gespalten und neu geknüpft. Die Alltasgserfahrung legt nahe, dass beim Spalten einer Bindung mehr oder weniger Energie aufgewandt werden muss. Im Umkehrschluss sollte man vermuten, dass beim Knüpfen von Bindungen Energie frei wird. Daher: Jede Reaktion ist mit einem Energieumsatz verbunden. Reaktion und Energie 2 1

2 Ein Beispiel aus dem Alltag Eine Verbrennung liefert Energie, sie muss allerdings angestoßen werden. So muss die Holzkohle eines Grills erst entzündet werden. Dagegen benötigt das Garen des Fleischs auf dem Grill (also der Grillvorgang) Energie. Reaktion und Energie 3 Begriffe Exotherme Reaktion: Verläuft freiwillig und unter Energieabgabe (exo: heraus). Endotherme Reaktion: Wird unter Energiezufuhr erzwungen (endo: hinein). Energieformen: Wärme, Licht, elektrische Energie. Kombinationen von Wärme- und Lichtenergie sind häufig (z. B. Glühen von Holzkohle). Die aufgenommene oder abgegebene Energie nennt man Wärmetönung einer Reaktion bzw. Reaktionsenthalpie, ΔH (H steht für Heat, Hitze) Reaktion und Energie 4 2

3 Die Aktivierungsenergie Beispiel: Holzkohle brennt nicht von alleine, sie muss zunächst entzündet werden. Verallgemeinerung: Jede Reaktion muss angestoßen werden, der Energieaufwand ist mehr oder weniger hoch. Diese Energie ist die Aktivierungsenergie (E A ). Reaktion und Energie 5 Energiediagramm für eine exotherme Reaktion Energie Edukte E A ΔH Die Edukte sind energiereicher als die Produkte. Nach der Reaktion ist das Reaktionssystem energieärmer. Daher ist ΔH < 0. Produkte Zeit Reaktion und Energie 6 3

4 Energiediagramm für eine endotherme Reaktion Energie E A ΔH Produkte Die Produkte sind energiereicher als die Edukte. Nach der Reaktion ist das Reaktionssystem energiereicher. Daher ist ΔH > 0. Edukte Zeit Reaktion und Energie 7 Der Katalysator Fast alle lebenswichtigen Reaktionen (z. B. Photosynthese oder Energiegewinnung aus der Nahrung) sind ohne Katalysatoren, die Enzyme, nicht denkbar. Für sehr viele Reaktionen in der Industrie (z. B. Ammoniaksynthese oder Schwefelsäureherstellung) benötigt man Katalysatoren. Weiteres Beispiel: Im Abgaskatalysator eines PKWs reagieren Kohlenmonoxid (CO) sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit NO x und Sauerstoff (O 2 ) zu Kohlendioxid (CO 2 ) sowie Stickstoff. Reaktion und Energie 8 4

5 Funktionsweise des Katalysators Def.: Ein Katalysator ist ein Reaktionsteilnehmer, der eine Reaktion beschleunigt. Am Ende der Reaktion liegt er wieder unverändert vor. Katalysatoren wirken selektiv für eine Reaktion. Durch einen Eingriff in den Reaktionsablauf wird die Aktivierungsenergie verringert. Durch unerwünschte Begleitstoffe wird der Katalysator blockiert, er wird vergiftet. Reaktion und Energie 9 Allgemeines Beispiel Zwei Stoffe A und B sollen zu AB reagieren. Unter Normalbedingungen findet die Reaktion unmerklich langsam statt. Ein Katalysator Kat erniedrigt die Gesamt-E A der Reaktion, indem er zuerst mit A reagiert, da hier die E A deutlich niedriger ist. Das Zwischenprodukt AKat reagiert dann mit B zum erwünschten Produkt AB, wobei auch für diesen Schritt die E A niedriger ist. Reaktion und Energie 10 5

6 Allgemeine Katalysatorreaktion A + B AB A + Kat AKat AKat + B AC + Kat Hohe E A ur Niedrige E A 1 Niedrige E A 2 Reaktion und Energie 11 Änderung von E A durch einen Katalysator Energie E A ur E A 1 E A 2 Zeit Reaktion und Energie 12 6

7 Beispiel Gewinnung von SO 3 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 2 SO V 2 O 5 2 SO V 2 O 4 2 V 2 O 4 + O 2 2 V 2 O 5 Findet ohne Katalysator praktisch nicht statt, E A hoch Reaktion des Katalysators, niedrige E A Regeneration des Katalysators, niedrige E A Reaktion und Energie 13 Enthalpieformen bei chemischen Reaktionen Enthalpieänderungen sind auch durch physikalische Vorgänge bedingt: Schmelzen, Verdampfen und Sublimieren. Hierzu muss Energie aufgewandt werden. Diese Energien sind tabellarisch erfasst. In guter Näherung sind die Enthalpieänderungen der eigentlichen chemischen Reaktionen durch Spaltung und Bildung von Bindungen bedingt. Auch diese Energien sind tabellarisch erfasst. Reaktion und Energie 14 7

8 Die molare Standardbindungsenergie Die molare Standardbindungsenergie Δ B bei einem zweiatomigen Molekül ist definiert als die Energie, die man benötigt, um ein Mol Moleküle des gasförmigen Stoffs in Atome zu spalten. Beispiel: Br 2 (g) 2 Br (g) Δ B = 193 kj/mol Reaktion und Energie 15 Beispiel: Die Chlorknallgasreaktion H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl(g) Gesucht: ΔH Gegeben: Δ B (H 2 ) = 436 kj/mol, Δ B (Cl 2 ) = 242 kj/mol, Δ B (HCl) = 431 kj/mol Lösung: ΔH = *431[kJ/mol] = 184 kj/mol Begründung: H 2 und Cl 2 müssen gespalten werden, daher positives Vorzeichen, die Bindung zwischen H und Cl wird für 2 Mol HCl geknüpft. Reaktion und Energie 16 8

9 Die Chlorknallgasreaktion im Diagramm Enthalpie ΔH 2 H(g) + Cl 2 (g) 2 H(g) + Cl 2 (g) 0 kj/mol H 2 (g) + Cl 2 (g) Edukte Reaktions- Enthalpie Δ R H 0 kj/mol 2 HCl(g) Produkt Reaktion und Energie 17 Die Messung von Enthalpien Ein Kalorimeter (lat. calor = Wärme) ist ein Messgerät zur Bestimmung der Wärmemenge, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen freigesetzt oder aufgenommen wird. Es handelt sich um besonders gut gegen äußeren Wärmeaustausch isolierte Gefäße. Bestimmt wird die Temperaturänderung, die durch eine Reaktion im Inneren stattfindet und in der Regel auf Wasser übertragen wird. Das Messverfahren bezeichnet man als Kalorimetrie. Reaktion und Energie 18 9

10 Die Standardbildungsenthalpie Ist die molare Reaktionsenthalpie für die Bildung eines Moles einer Verbindung aus den Elementen. Der absolute Wert der Enthalpie von Stoffen ist nicht messbar, daher wird die molare Standardbildungsenthalpie der Elemente gleich Null gesetzt. Die molare Standardbildungsenthalpie ist in Tabellen gelistet. Damit ist die molare Reaktionsenthalpie beliebiger Reaktionen berechenbar. Reaktion und Energie 19 Beispiel: Die Verbrennung von Methan Molare Reaktionsenthalpie: Δ R Molare Standardbildungsenthalpie: Δ f Es gilt: Δ R = Δ f (Produkte) Δ f (Edukte) CH O 2 CO H 2 O Überlegung: Δ R = [Δ f (CO 2 ) + 2*Δ f (H 2 O)] [Δ f (CH 4 ) + 2*Δ f (O 2 )] Berechnung: Δ R = [ 393 kj/mol + 2* 285 kj/mol] [ 75 kj/mol + 2*0 kj/mol] = 963 kj/mol + 75kJ/mol = 888 kj/mol Reaktion und Energie 20 10

11 Der Satz von Hess oder: Viele Wege führen nach Rom Oft sind Reaktionsenthalpien experimentell nicht oder nur ungenau messbar. Die Praxis zeigt, dass Produkte auf verschiedenen Wegen zugänglich sind: 1. Festes NaOH wird in Wasser gelöst, die Natronlauge wird mit Salzsäure neutralisiert, man erhält Kochsalz. 2. Festes NaOH wird direkt in die Salzsäure gegeben, auch hier erhält man Kochsalz. Die Summe der Enthalpien für den ersten Weg ist genauso groß wie die Enthalpie für den zweiten Weg. Reaktion und Energie 21 Auswirkung des Satzes von Hess Die Enthalpieänderung einer Reaktion ist unabhängig vom Reaktionsweg. Sie ist nur abhängig vom Ausgangs- und Endzustand eines Systems. Diese Aussage ist eine Anwendung des Energieerhaltungssatzes. Beispiel: Die molare Reaktionsenthalpie zur Bildung von CO ist nicht direkt bestimmbar, bekannt sind die Enthalpien für die Reaktion von C und O 2 zu CO 2 und für die Reaktion von CO und O 2 zu CO 2. Reaktion und Energie 22 11

12 Der graphische Weg, das Enthalpiediagramm 0 kj/mol? kj/mol C(s) + O 2 (g) Δ R1 C(s) + 0,5 O 2 (g) Idee: CO kann als Zwischenstufe zu CO 2 angesehen werden, also gilt: Δ R2 = Δ R1 + Δ R3 daraus folgt Δ R1 = Δ R2 Δ R3 Δ R2 ΔR3 Δ R2 = -394 kj/mol Δ R3 = -283 kj/mol Δ R1 = -111 kj/mol -394 kj/mol Reaktion und Energie 23 Zum Üben 1. Berechne mit Hilfe der Tabelle die Reaktionsenthalpien für die Bildung der Halogenwasserstoffe. Vergleiche und interpretiere die Ergebnisse. 2. Zeichne ein Enthalpiediagramm für die Bildung von Wasser aus seinen Elementen und berechne die Reaktionsenthalpie bezogen auf ein Mol Wasser. 3. Gesucht ist die Lösungsenthalpie von NaOH in Wasser: NaOH(s) NaOH(aq) Δ R1 =? Gegeben ist: NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) Δ R2 = 56 kj/mol NaOH(s) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) Δ R2 = 99 kj/mol Lösung graphisch und rechnerisch formulieren! 4. Gesucht ist die Reaktionsenthalpie für die Reaktion von Natriumoxid und Wasser zu Natriumhydroxid. Δ f (Na 2 O): -416 kj/mol; Δ f (NaOH): -427 kj/mol; Δ f (H 2 O): -286 kj/mol Reaktion und Energie 24 12