Sowohl in der Physik als auch in der Chemie wird ein Konzept verwendet, um die in einem Körper enthaltene Energie zu messen: die Enthalpie . Diese Messgröße gibt die Energiemenge an, die in einem Körper oder System mit einem bestimmten Volumen unter Druck enthalten ist und das Energie mit seiner Umgebung austauschen kann. Die Enthalpie eines Systems wird mit dem Buchstaben H bezeichnet, und ihre physikalische Einheit ist das Joule.
In diesem Artikel erfahren Sie alles über die Eigenschaften und die Bedeutung der Enthalpie.
Schlüsselmerkmale
Wir können sagen, dass die Enthalpie gleich der inneren Energie des Systems plus dem Produkt aus Druck und Volumen des Systems ist . Da Energie, Druck und Volumen des Systems Zustandsfunktionen sind, ist auch die Enthalpie eine Zustandsfunktion. Das bedeutet, dass sie zu einem gegebenen Zeitpunkt unter bestimmten Anfangs- oder Endbedingungen angegeben werden kann, wodurch uns diese Variable hilft, das gesamte System zu untersuchen.
Der erste Schritt besteht darin, die Bildungsenthalpie zu verstehen. Sie beschreibt die Wärmemenge, die ein System aufnimmt und freisetzt, wenn ein Mol eines Produkts aus seinen Elementen in ihren Standardzuständen gebildet wird . Diese Zustände können fest, flüssig, gasförmig oder gelöst sein. Eine allotrope Form ist eine stabilere Form eines Stoffes. Beispielsweise ist Graphit die stabilste allotrope Form des Kohlenstoffs. Graphit liegt unter Standardbedingungen von 1 Atmosphäre Druck und 25 Grad Celsius vor. Das Verständnis der Enthalpie ist entscheidend, um die Energie verschiedener chemischer Reaktionen zu begreifen und die Auswirkungen von Hitzewellen zu analysieren.
Wir betonen, dass die Bildungsenthalpien gemäß unserer Definition für 1 Mol der hergestellten Verbindung gelten. Auf diese Weise muss in Abhängigkeit von der Menge der vorhandenen Reagenzprodukte die Reaktion mit Bruchkoeffizienten eingestellt werden.
Bildungsenthalpie
Wir wissen, dass die Bildungsenthalpie in jedem chemischen Prozess positiv oder negativ sein kann. Sie ist positiv, wenn die Reaktion endotherm ist. Das bedeutet, dass bei einer endothermen Reaktion Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird. Umgekehrt ist die Bildungsenthalpie negativ, wenn die Reaktion exotherm ist . Bei einer exothermen Reaktion wird Wärme an die Umgebung abgegeben.
Damit eine exotherme Reaktion stattfinden kann, müssen die Reaktanten über mehr Energie verfügen als die Produkte. Im Gegenteil, damit eine endotherme Reaktion stattfinden kann, müssen die Reaktanten weniger Energie haben als die Produkte. Damit die chemische Gleichung für all dies korrekt geschrieben werden kann, muss der Satz von der Erhaltung der Materie erfüllt sein. Das heißt, die chemische Gleichung muss Informationen über den physikalischen Zustand der Reaktanten und Produkte enthalten, was für die Untersuchung von von entscheidender Bedeutung ist.
Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass reine Stoffe eine Bildungsenthalpie von null aufweisen. Diese Enthalpiewerte werden, wie bereits erwähnt, unter Standardbedingungen und in ihrer stabilsten Form ermittelt. In einem chemischen System, das Reaktanten und Produkte enthält, entspricht die Reaktionsenthalpie der Bildungsenthalpie unter Standardbedingungen.
Reaktionsenthalpie
Wir haben bereits die Bildungsenthalpie erläutert. Nun beschreiben wir die Reaktionsenthalpie. Diese thermodynamische Funktion hilft bei der Berechnung der während einer chemischen Reaktion aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge. Sie dient dazu, den Wärmeaustausch zwischen Edukten und Produkten auszugleichen. Eine der Bedingungen für die Berechnung der Reaktionsenthalpie ist, dass die Reaktion selbst bei konstantem Druck abläuft. Das heißt, der Druck muss während der gesamten Reaktionsdauer konstant bleiben.
Wir wissen, dass Enthalpie die Dimension Energie besitzt und daher in Joule gemessen wird. Um den Zusammenhang zwischen Enthalpie und der bei einer chemischen Reaktion ausgetauschten Wärme zu verstehen, müssen wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik heranziehen. Dieser besagt, dass die bei einem thermodynamischen Prozess ausgetauschte Wärme gleich der Änderung der inneren Energie der beteiligten Stoffe zuzüglich der von diesen Stoffen während des Prozesses verrichteten Arbeit ist.
Wir wissen, dass alle chemischen Reaktionen nichts anderes sind als verschiedene thermodynamische Prozesse, die bei einem bestimmten Druck stattfinden. Die gängigsten Druckwerte werden unter Standardbedingungen des atmosphärischen Drucks angegeben. Daher werden alle auf diese Weise ablaufenden thermodynamischen Prozesse als isobar bezeichnet, da sie bei konstantem Druck ablaufen.
Enthalpie wird oft fälschlicherweise als Wärme bezeichnet. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass sie nicht mit Wärme an sich gleichzusetzen ist, sondern vielmehr den Wärmeaustausch beschreibt. Anders ausgedrückt: Es handelt sich nicht um die Wärme, die man beispielsweise für einen Unterricht nutzen kann, oder um die innere Wärme der Reaktanten und Produkte. Es ist die Wärme, die während des gesamten chemischen Reaktionsprozesses ausgetauscht wird.
Beziehung zur Wärme
Anders als zuvor besprochen, ist die Enthalpie eine Zustandsfunktion. Bei der Berechnung der Enthalpieänderung ermitteln wir die Differenz zweier Funktionen. Diese Funktionen hängen typischerweise ausschließlich vom Zustand des Systems ab. Dieser Zustand variiert mit der inneren Energie und dem Volumen des Systems. Da wir wissen, dass das Volumen während der gesamten chemischen Reaktion konstant bleibt, ist die Reaktionsenthalpie lediglich eine Zustandsfunktion, die sowohl von der inneren Energie als auch vom Volumen abhängt.
Daher können wir die Enthalpie der Reaktanten in einer chemischen Reaktion als die Summe von jedem von ihnen definieren. Auf der anderen Seite definieren wir dasselbe, aber in den Produkten als die Summe der Enthalpie aller Produkte.
Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über die Enthalpie und ihre Eigenschaften erfahren können.