CHEMIE KAPITEL 2 DIE CHEMISCHE REAKTION. Timm Wilke. Georg-August-Universität Göttingen. Wintersemester 2013 / 2014

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1 CHEMIE KAPITEL 2 DIE CHEMISCHE REAKTION Timm Wilke Georg-August-Universität Göttingen Wintersemester 2013 / 2014

2 Folie 2 Entropie Enthalpie entscheidet nicht über die Die Entropie (S) ist ein Maß für die Unordnung im System Systeme streben immer (!) nach maximaler Unordnung. Betrachtung der Reaktionsentropie: ΔS R = S 2 S 1

3 Folie 3 Wann nimmt die Entropie zu? 1. Die Entropie nimmt immer dann zu, wenn eine Flüssigkeit oder ein Festkörper in ein Gas verwandelt werden. 2. Die Entropie nimmt zu, wenn ein Festkörper oder eine Flüssigkeit in Wasser gelöst werden. 3. Die Entropie nimmt zu, wenn die Anzahl der Teilchen zunimmt. 4. Die Entropie nimmt zu, wenn die Temperatur zunimmt.

4 Folie 4 Reaktionsentropie Führt man einem System Energie zu, ändert sich seine Entropie um: ΔS Umgebung = ΔH R / T (ΔH R = Reaktionsenthalpie, T = Temperatur) Ermittlung der Gesamtentropie: ΔS Gesamt = ΔS System + ΔS Umgebung > 0

5 Folie 5 Freie Enthalpie Die Gibbs-Energie vereint beiden Faktoren: ΔG = ΔH T * ΔS Enthalpischer Faktor / Entropischer Faktor ΔG: Änderung der Gibbs Energie (freien Enthalpie) ist die entscheidende Größe, ob eine Reaktion ablaufen kann ΔH: Änderung der Reaktionsenthalpie ΔS: Änderung der Reaktionsentropie T: Reaktionstemperatur

6 Folie 6 Gibbs-Energie Exergonische Reaktionen ΔG < 0 Endergonische Reaktionen ΔG > 0 Merksatz: Die Reaktion läuft freiwillig ab, wenn die Änderung der freien Enthalpie ΔG negativ ist. Die freie Enthalpie ist ein Maß für die Triebkraft chemischer Reaktionen.

7 Folie 7 Ergänzung: Freie Enthalpie Berechnung der freien Enthalpie: ΔG = ΔH T * ΔS ΔG = (H 2 H 1 ) (T * (ΔS System )) Ist ΔG < 0, läuft die Reaktion spontan ab (exergonisch). Ist ΔG > 0, läuft die Reaktion nicht spontan ab (endergonisch).

8 Folie 8 Beispielrechnung 2 H 2 + O 2 2 H 2 O ΔG = ΔH T * ΔS 1. Schritt: Berechnung der Reaktionsenthalpie ΔH 2. Schritt: Berechnung der Reaktionsentropie ΔS 3. Schritt: Zusammenführung und Berechnung der freien Enthalpie ΔG

9 Folie 9 Beispielrechnung 1. Schritt 2 H 2 + O 2 2 H 2 O ΔG = ΔH T * ΔS 1. Schritt: Berechnung der Reaktionsenthalpie ΔH ΔH R = H 2 - H 1 ΔH R = [2 mol (-286 kj/mol)] - 0 ΔH R = kj (negativer Wert exotherme Reaktion)

10 Folie 10 Beispielrechnung 2. Schritt 2 H 2 + O 2 2 H 2 O ΔG = ΔH T * ΔS 2. Schritt: Berechnung der Reaktionsentropie ΔS ΔS R = S 2 - S 1 ΔS R = [2 mol 189 J/K mol] - [2 mol 131 J/K mol + 1 mol 205 J/K mol] ΔS R = [378 J/K] [467 J/K] ΔS R = - 89 J/K mol (negativer Wert die Entropie sinkt)

11 Folie 11 Beispielrechnung 3. Schritt 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Zusammenführung und Berechnung der freien Enthalpie ΔG ΔG = ΔH T * ΔS ΔG = kj - [298,15 K (- 89 J/K)] ΔG = kj - [- 26,5 kj] ΔG = - 545,5 kj (negativer Wert exergonische (= spontane) Reaktion)

12 Folie 12 Übungsaufgabe (für zu Hause) Kalkbrennen : CaCO 3 CaO + CO 2 Berechne die freie Enthalpie dieser Reaktion. ΔG = ΔH T * ΔS ΔH B (CaCO 3 ) = kj/mol ΔH B (CaO) = -635 kj/mol ΔH B (CO 2 ) = -393 kj/mol ΔS B (CaCO 3 ) = 93 J/K mol ΔS B (CaO) = 40 J/K mol ΔS B (CO 2 ) = 214 J/K mol Ist die Reaktion exergonisch oder endergonisch?

13 Folie 13 Mit anderen Worten: Die Freie Enthalpie ist also eine Bilanz aus Entropie- und Enthalpieänderung zu ziehen. Eine starke Enthalpieabnahme (stark exotherme Reaktion) kann eine Entropieabnahme (weniger Teilchen entstehen, Knallgasreaktion) kompensieren, die Reaktion läuft spontan ab! Das umgekehrte gilt genauso: Eine starke Entropiezunahme kann eine Enthalpiezunahme kompensieren, es können also endotherme Reaktionen spontan ablaufen.

14 Folie 14 Energiediagramm

15 Folie 15 Gesamtentropie

16 Folie 16 Gesamtentropie

17 Folie 17 Hemmung chemischer Reaktionen Erdgas verbrennt mit Sauerstoff exergonisch zu Wasser. Eine Knallerbse explodiert durch den Schlag, der beim Aufprall auf den Boden entsteht. Beide Reaktionen benötigen dazu allerdings eine Starthilfe

18 Folie 18 Aktivierungsenergie Energie Ausgangsstoffe (metastabil) Übergangszustand (instabil) Aktivierungsenergie Produkte (stabil) Bsp: Exotherme Reaktion Energetische Hürde muss überwunden werden. Bezeichnung: Aktivierungsenergie Reaktionsfortschritt

19 Folie 19 Aktivierungsenergie Energie Übergangszustand (instabil) Produkte (metastabil) Aktivierungsenergie Bsp: Endotherme Reaktion Energieberg muss überwunden werden. Bezeichnung: Aktivierungsenergie Ausgangsstoffe (stabil) Reaktionsfortschritt

20 Folie 20 Aktivierungsenergie Als Aktivierungsenergie wird derjenige Energiebetrag bezeichnet, der notwendig ist, um die chemische Reaktion einzuleiten. Aktivierungsenergie kann in verschiedenen Formen (mechanische Energie, Licht, Wärme,...) zugeführt werden.

21 Folie 21 Katalysatoren... kommen in vielen Anwendungen vor. Beispiele: Autos, Enzyme, Photosynthese, Abgassäuberung,... Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden.

22 Folie 22 Katalysator Links: Ohne Katalysator brennt Zucker nicht sondern karamellisiert nur. Rechts: Mit Zigarettenasche (Katalysator) brennt der Zuckerwürfel.

23 Folie 23 Katalysator Durch den Katalysator wird die Aktivierungsenergie herabgesenkt. Die Reaktion wird beschleunigt und benötigt weniger Energie.

24 Folie 24 Beispiel: Wasserstoff und Platin

25 Folie 25 Auswertung Wasserstoff ist ein brennbares Gas, allerdings ist die Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser gehemmt. An Platin entzündet sich Wasserstoff die Reaktion findet statt. Platin katalysiert diese Reaktion.

26 Folie 26 Rechtliches Abbildungsnachweis: Folie 17: Copyrightvermerk und Lizenzen: Alle Rechte an den Inhalten dieser elearning-materialien liegen beim Autor oder den jeweiligen Urheberrechtsinhabern. Sämtliche Bilder und Texte sind entweder vom Autor selbst fotografiert, verfasst oder sind gemeinfrei, es sei denn, es ist eine andere Quelle angegeben. Kein Teil dieses Materials darf ohne ausdrückliche schriftliche Genehmigung des Autors veröffentlicht, vervielfältigt oder für Internet-Seiten verwendet werden, auch nicht in abgeänderter Form. Die Daten oder Teile der Homepage dürfen nicht auf fremden Datenträgern, Kopien, Druckwerken, auf CD-ROM oder anderen Datenspeichermöglichkeiten erscheinen. Haftungsausschluss: Die Benutzung der hier vorliegenden Informationen geschieht auf vollkommen eigene Verantwortung. Haftung für Schäden oder Verluste, die beim Umgang mit den hier beschriebenen Stoffen oder bei der Durchführung von chemischen Versuchen entstehen, ist ausgeschlossen; ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund falscher oder fehlender Angaben. Die Angaben zu den Stoffen und Experimentieranleitungen wurden jedoch sorgfältig und nach bestem Gewissen erstellt und sind in jedem Falle zu beachten,.

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