Enthalpie - Chemie


Enthalpie - Chemie
Enthalpie - Chemie
Einleitung
Die Enthalpie mit dem Formelzeichen hilft Dir, Energieänderungen bei chemischen Reaktionen zu beschreiben. Im Chemieunterricht interessiert meist nicht der absolute Wert von , sondern die Änderung zwischen Edukten und Produkten.
Bei konstantem Druck entspricht die Enthalpieänderung der übertragenen Wärme, sofern nur Druck-Volumen-Arbeit auftritt. Deshalb ist die Enthalpie besonders nützlich für Reaktionen im offenen Becherglas, also ungefähr bei konstantem Luftdruck.

Das Diagramm zeigt einen exothermen Verlauf: Die Produkte liegen energetisch tiefer als die Edukte. Die Enthalpieänderung ist negativ.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du die Enthalpie als Zustandsgröße erklären, exotherme und endotherme Prozesse unterscheiden, Energiediagramme lesen, einfache kalorimetrische Rechnungen durchführen und den Satz von Hess anwenden. Außerdem kannst Du begründen, warum ein Katalysator die Aktivierungsenergie, aber nicht die Reaktionsenthalpie verändert.
Grundidee der Enthalpie
Die Enthalpie ist definiert als
Dabei ist die Innere Energie, der Druck und das Volumen. Der Zusatz berücksichtigt, dass ein System bei einer Volumenänderung Arbeit gegen den äußeren Druck leisten kann.
Für eine Änderung gilt:
Unter konstantem Druck und bei reiner Druck-Volumen-Arbeit gilt:
Das Symbol bezeichnet die bei konstantem Druck übertragene Wärme. Enthalpie und Wärme sind trotzdem nicht dasselbe: Enthalpie ist eine Zustandsgröße, Wärme ist eine Energieübertragung während eines Vorgangs.
Zustandsgröße und Enthalpieänderung
Eine Zustandsgröße hängt nur vom Zustand des Systems ab. Für sind daher Anfangs- und Endzustand entscheidend, nicht der genaue Reaktionsweg. Diese Eigenschaft ist die Grundlage des Satzes von Hess.
Die Enthalpieänderung wird als Differenz geschrieben:
Zu einer Reaktionsenthalpie gehören immer die Reaktionsgleichung, die stöchiometrischen Koeffizienten und die Aggregatzustände. Die Bildung von flüssigem Wasser besitzt beispielsweise eine andere Enthalpieänderung als die Bildung von gasförmigem Wasser.
Einheiten
Enthalpie besitzt die Einheit Joule. Im Chemieunterricht werden meist Kilojoule verwendet. Eine molare Enthalpie oder eine auf eine Reaktionsgleichung bezogene Reaktionsenthalpie wird häufig in angegeben.
Achte darauf: Wird eine Reaktionsgleichung verdoppelt, verdoppelt sich auch die zugehörige Reaktionsenthalpie. Wird die Reaktion umgekehrt, wechselt das Vorzeichen von .
Exotherme und endotherme Prozesse
Exotherme Reaktion
Bei einer exothermen Reaktion gibt das betrachtete System Energie an die Umgebung ab. Die Produkte besitzen eine geringere Enthalpie als die Edukte.
Typische Beispiele sind viele Verbrennungen und zahlreiche Neutralisationsreaktionen. Eine negative Reaktionsenthalpie sagt aus, wie viel Energie bis zum Endzustand abgegeben wird. Sie sagt nicht, wie schnell die Reaktion abläuft.

Endotherme Reaktion
Bei einer endothermen Reaktion nimmt das System Energie aus der Umgebung auf. Die Produkte besitzen eine höhere Enthalpie als die Edukte.
Beispiele sind bestimmte Lösungsvorgänge, thermische Zersetzungen und die Umkehrung einer exothermen Reaktion.

Vorzeichen sicher deuten
Entscheidend ist immer die Perspektive des Systems. Erwärmt sich die Umgebung, hat das reagierende System meist Energie abgegeben. Dann ist für die Reaktion negativ. Kühlt sich die Umgebung ab, hat das System meist Energie aufgenommen. Dann ist positiv.
Energiediagramme lesen
In einem Energiediagramm steht auf der senkrechten Achse häufig die Enthalpie. Auf der waagerechten Achse befindet sich eine Reaktionskoordinate. Sie beschreibt den Fortschritt der Reaktion, aber keine Zeitachse.
Der Höhenunterschied zwischen Edukten und Produkten entspricht . Der Energieberg dazwischen steht für die Aktivierungsenergie. Eine Reaktion kann exotherm sein und trotzdem erst nach einer Zündung oder anderen Aktivierung starten.

Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Anfangs- und Endzustand bleiben gleich. Deshalb verändert ein Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit, aber nicht .
Wichtige Enthalpiearten
Reaktionsenthalpie
Die Reaktionsenthalpie ist die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion, so wie sie in der ausgeglichenen Reaktionsgleichung geschrieben ist.
Sie hängt von Stoffmenge, Aggregatzustand, Temperatur und Druck ab. Deshalb müssen Bedingungen und Zustände eindeutig angegeben werden.
Standardbildungsenthalpie
Die molare Standardbildungsenthalpie ist die Enthalpieänderung bei der Bildung von einem Mol einer Verbindung aus den Elementen in ihren Standardzuständen.
Für ein Element in seinem Standardzustand wird die Standardbildungsenthalpie als null festgelegt. Beispiele sind , und Graphit als Standardform des Kohlenstoffs.
Der Standardzustand bezieht sich auf einen Standarddruck von 1 bar. Tabellenwerte werden oft für 298,15 K angegeben; die verwendete Temperatur muss genannt werden.
Verbrennungsenthalpie
Die Verbrennungsenthalpie beschreibt die Enthalpieänderung bei der vollständigen Verbrennung einer festgelegten Stoffmenge mit Sauerstoff. Bei vollständiger Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen gewöhnlich Kohlenstoffdioxid und Wasser. Der Aggregatzustand des Wassers beeinflusst den Zahlenwert deutlich.
Lösungsenthalpie
Die Lösungsenthalpie ist die Enthalpieänderung beim Lösen eines Stoffes. Beim Lösen eines Ionenkristalls müssen Teilchen aus dem Gitter getrennt werden. Gleichzeitig werden die Ionen vom Lösungsmittel umgeben. Beide Beiträge können sich so überlagern, dass sich die Lösung erwärmt oder abkühlt.
Neutralisationsenthalpie
Die Neutralisationsenthalpie beschreibt die Enthalpieänderung bei der Reaktion einer Säure mit einer Base. Bei starken Säuren und starken Basen wird die Energieänderung wesentlich durch die Bildung von Wasser aus Oxonium- und Hydroxid-Ionen bestimmt.
Der Satz von Hess
Der Hess’sche Wärmesatz besagt: Die Enthalpieänderung eines Gesamtprozesses ist die Summe der Enthalpieänderungen seiner Teilschritte. Der Reaktionsweg ist für die Gesamtenthalpieänderung nicht entscheidend.

Germain Henri Hess formulierte den nach ihm benannten Zusammenhang im 19. Jahrhundert. Heute ist er ein wichtiges Werkzeug der Thermochemie.

Im dargestellten Beispiel kann Kohlenstoff direkt zu Kohlenstoffdioxid reagieren oder zunächst Kohlenstoffmonoxid bilden. Für beide Wege gilt dieselbe Gesamtenthalpieänderung:
Reaktionsgleichungen als Rechenbausteine
Beim Rechnen mit dem Satz von Hess gelten drei Regeln:
- Wird eine Reaktionsgleichung umgekehrt, wechselt das Vorzeichen von .
- Wird eine Reaktionsgleichung mit einem Faktor multipliziert, wird auch mit diesem Faktor multipliziert.
- Werden Reaktionsgleichungen addiert, werden auch ihre Enthalpieänderungen addiert.
Diese Regeln funktionieren, weil die Enthalpie eine Zustandsgröße ist.
Berechnung aus Standardbildungsenthalpien
Die Standardreaktionsenthalpie lässt sich aus tabellierten Standardbildungsenthalpien berechnen:
Das Symbol steht für den stöchiometrischen Koeffizienten.
Beispiel: Verbrennung von Methan
Reaktionsgleichung:
Verwendete Standardbildungsenthalpien:
Für gilt als Element im Standardzustand .
Einsetzen:
Das negative Vorzeichen zeigt, dass die Reaktion exotherm ist. Der Zahlenwert gehört genau zu der angegebenen Reaktionsgleichung und zur Bildung von flüssigem Wasser.
Kalorimetrie
Die Kalorimetrie dient zur Messung von Wärmemengen. Ein Kalorimeter soll den Wärmeaustausch mit der äußeren Umgebung möglichst klein halten.

Ein einfaches Becherkalorimeter eignet sich für Reaktionen in Lösung bei ungefähr konstantem Druck. Gemessen wird meist die Temperaturänderung der Lösung.
Für eine erwärmte oder abgekühlte Flüssigkeit gilt näherungsweise:
Dabei ist die Masse, die spezifische Wärmekapazität und die Temperaturänderung.
Die vom Reaktionssystem abgegebene Wärme wird von Lösung und Kalorimeter aufgenommen:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle q_\mathrm{Reaktion} = -(q_\mathrm{Lösung} + q_\mathrm{Kalorimeter})}
In einfachen Schulaufgaben wird die Wärmekapazität des Kalorimeters manchmal vernachlässigt. In realen Messungen führt das zu einem Fehler.
Einfaches Rechenbeispiel
100 g Wasser werden durch einen Vorgang um 5,0 K erwärmt. Mit ergibt sich:
Das Wasser nimmt 2,09 kJ auf. Wenn weitere Wärmeverluste vernachlässigt werden, hat die Reaktion 2,09 kJ abgegeben:
Für eine molare Reaktionsenthalpie muss dieser Wert noch durch die umgesetzte Stoffmenge geteilt werden.
Bombenkalorimeter
Ein Bombenkalorimeter misst Verbrennungsenergie in einem geschlossenen, druckfesten Gefäß bei konstantem Volumen. Direkt gemessen wird dort zunächst die Änderung der inneren Energie. Für eine genaue Reaktionsenthalpie muss gegebenenfalls der Unterschied zwischen und berücksichtigt werden.

Abschätzung mit Bindungsenthalpien
Mit mittleren Bindungsenthalpien kann eine Reaktionsenthalpie näherungsweise abgeschätzt werden:
Das Brechen von Bindungen benötigt Energie. Das Bilden von Bindungen setzt Energie frei. Die Methode liefert nur eine Näherung, weil tabellierte Bindungsenthalpien häufig Mittelwerte für gasförmige Moleküle sind.
Enthalpie, Geschwindigkeit und Freiwilligkeit
Eine negative Enthalpieänderung bedeutet nicht automatisch, dass eine Reaktion schnell abläuft. Die Reaktionsgeschwindigkeit gehört zur chemischen Kinetik. Eine hohe Aktivierungsenergie kann eine exotherme Reaktion stark verlangsamen.
Auch die Frage, ob ein Prozess unter bestimmten Bedingungen freiwillig ablaufen kann, lässt sich nicht allein mit beantworten. Dafür ist zusätzlich die Entropie wichtig. Eine zentrale Größe ist die Gibbs-Energie:
Für die grundlegende Enthalpiebilanz reicht im Schulkontext meist . Für die Beurteilung der Triebkraft chemischer Prozesse muss jedoch auch betrachtet werden.
Anwendungen
Enthalpiebilanzen helfen bei der Bewertung von Brennstoffen, bei der Entwicklung von Wärmespeichern, bei der Auslegung chemischer Anlagen und bei der Untersuchung von Lösungs- oder Neutralisationsvorgängen. In der Technik sind nicht nur große negative Reaktionsenthalpien wichtig, sondern auch die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung und die verfügbare Kühlleistung.
Im Alltag begegnen Dir Enthalpieänderungen bei Handwärmern, Kältepacks, Verbrennungsvorgängen, dem Lösen bestimmter Salze und beim Erwärmen oder Abkühlen durch chemische Reaktionen.
Typische Fehler
- Vorzeichen vertauscht: Produkte minus Edukte ist die übliche Bilanzrichtung.
- Koeffizienten vergessen: Jeder Tabellenwert muss mit dem stöchiometrischen Koeffizienten multipliziert werden.
- Aggregatzustände ignoriert: Flüssiges und gasförmiges Wasser besitzen unterschiedliche Bildungsenthalpien.
- Wärme und Enthalpie gleichgesetzt: gilt unter den passenden Bedingungen.
- Katalysator falsch gedeutet: Er verändert die Aktivierungsenergie, nicht die Reaktionsenthalpie.
Zusammenfassung
Die Enthalpie ist eine Zustandsgröße mit . Im Chemieunterricht wird meist die Änderung betrachtet. Exotherme Reaktionen besitzen , endotherme Reaktionen . Der Satz von Hess erlaubt das Addieren von Enthalpieänderungen verschiedener Reaktionsschritte. Kalorimetrische Messungen bestimmen Wärme über Temperaturänderungen. Für die Deutung einer Reaktion musst Du außerdem zwischen Reaktionsenthalpie, Aktivierungsenergie und Gibbs-Energie unterscheiden.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was bedeutet eine negative Reaktionsenthalpie? (Die Reaktion ist exotherm) (!Die Reaktion ist immer schnell) (!Die Reaktion benötigt einen Katalysator) (!Die Produkte besitzen immer mehr Enthalpie)
Wie ist die Enthalpie definiert? (H gleich U plus p mal V) (!H gleich U minus p mal V) (!H gleich Masse mal Temperatur) (!H gleich Druck geteilt durch Volumen)
Welche Einheit wird häufig für eine molare Reaktionsenthalpie verwendet? (Kilojoule pro Mol) (!Kilogramm pro Liter) (!Mol pro Sekunde) (!Pascal pro Kelvin)
Wann entspricht die Enthalpieänderung der übertragenen Wärme? (Bei konstantem Druck und reiner Druck Volumen Arbeit) (!Bei jeder beliebigen Zustandsänderung) (!Nur bei konstantem Volumen) (!Nur wenn keine Temperaturänderung auftritt)
Was besagt der Satz von Hess? (Die Gesamtenthalpieänderung ist vom Reaktionsweg unabhängig) (!Die Aktivierungsenergie ist immer null) (!Jede Reaktion ist umkehrbar) (!Die Reaktionsgeschwindigkeit bleibt konstant)
Welchen Wert hat die Standardbildungsenthalpie eines Elements in seinem Standardzustand? (Null) (!Immer plus eins) (!Immer minus eins) (!Sie ist grundsätzlich unbekannt)
Eine Lösung im Kalorimeter wird wärmer. Was ist die naheliegende Deutung? (Die Reaktion hat Wärme abgegeben) (!Die Reaktion hat keine Energie umgesetzt) (!Die Reaktion war sicher endotherm) (!Die Enthalpie der Produkte muss größer sein)
Was verändert ein Katalysator? (Die Aktivierungsenergie) (!Die Reaktionsenthalpie) (!Die Enthalpie der Edukte) (!Die Enthalpie der Produkte)
Wie wird die Reaktionsenthalpie aus Bildungsenthalpien berechnet? (Summe der Produkte minus Summe der Edukte) (!Summe der Edukte minus Summe der Produkte) (!Produkt aus Druck und Temperatur) (!Quotient aus Masse und Stoffmenge)
Welches Vorzeichen besitzt die Enthalpieänderung eines endothermen Prozesses? (Ein positives Vorzeichen) (!Ein negatives Vorzeichen) (!Immer genau null) (!Kein bestimmbares Vorzeichen)
Memory
| Enthalpie | Zustandsgröße |
| Exotherm | Wärmeabgabe |
| Endotherm | Wärmeaufnahme |
| Kalorimeter | Wärmemessgerät |
| Hess | Wegunabhängigkeit |
| Standardzustand | Referenzbedingung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Negatives Delta H | Exothermer Prozess |
| Positives Delta H | Endothermer Prozess |
| Reaktionswege addieren | Satz von Hess |
| Temperaturänderung messen | Kalorimetrie |
| Aktivierungsbarriere senken | Katalysator |
Kreuzworträtsel
| Enthalpie | Welche Zustandsgröße wird mit H bezeichnet? |
| Kalorimeter | Welches Gerät misst Wärmemengen bei Vorgängen? |
| Exotherm | Wie heißt ein Prozess mit Wärmeabgabe? |
| Endotherm | Wie heißt ein Prozess mit Wärmeaufnahme? |
| Hess | Welcher Forscher ist Namensgeber des Wärmesatzes? |
| Standardzustand | Welche Referenz legt den Zustand eines Stoffes für Tabellenwerte fest? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz Enthalpie: Erstelle ein Begriffsnetz mit Enthalpie, innerer Energie, Druck, Volumen, Wärme und Zustandsgröße.
- Energiediagramm beschriften: Zeichne je ein einfaches exothermes und endothermes Energiediagramm und beschrifte Edukte, Produkte, Aktivierungsenergie und Delta H.
- Alltagsbeispiele finden: Ordne vier Alltagsvorgänge begründet als eher exotherm oder endotherm ein.
- Lernkarte gestalten: Gestalte eine Lernkarte mit den Formeln H gleich U plus pV und Delta H gleich Produkte minus Edukte.
Standard
- Kalorimetrie planen: Plane mit Deiner Lehrkraft einen ungefährlichen Versuch zur Messung einer Temperaturänderung in einem einfachen Becherkalorimeter. Formuliere Sicherheitsregeln und Messschritte.
- Messdaten auswerten: Berechne aus vorgegebenen Werten für Masse, Wärmekapazität und Temperaturänderung die übertragene Wärme und deute das Vorzeichen.
- Hess Puzzle: Zerlege eine Gesamtreaktion in zwei passende Teilreaktionen und zeige, wie sich Zwischenstoffe beim Addieren kürzen.
- Erklärvideo entwerfen: Entwickle ein Storyboard für ein zweiminütiges Erklärvideo zum Unterschied zwischen Reaktionsenthalpie und Aktivierungsenergie.
Schwer
- Methanverbrennung prüfen: Rechne die Standardreaktionsenthalpie der Methanverbrennung mit Tabellenwerten nach und untersuche den Einfluss des Aggregatzustands von Wasser.
- Fehleranalyse Kalorimeter: Erkläre, wie Wärmeverluste, ungenaue Temperaturmessung und die Wärmekapazität des Gefäßes ein Ergebnis verändern können.
- Thermodynamik und Kinetik vergleichen: Analysiere eine exotherme Reaktion, die bei Raumtemperatur langsam abläuft, und trenne thermodynamische von kinetischen Aussagen.
- Digitales Lernprodukt: Erstelle eine interaktive Darstellung, in der Lernende Reaktionsgleichungen umkehren oder vervielfachen und die Änderung von Delta H beobachten.


Lernkontrolle
- Handwärmer und Kältepack: Erkläre auf Teilchen- und Energieebene, warum sich ein Handwärmer erwärmt und ein Kältepack abkühlt. Nutze passende Vorzeichen für Delta H.
- Zwei Reaktionswege: Eine Verbindung kann direkt oder über zwei Zwischenstufen entstehen. Begründe ohne Zahlen, warum beide Wege dieselbe Gesamtenthalpieänderung besitzen müssen.
- Kalorimetrische Auswertung: Eine Lösung wird während einer Reaktion wärmer. Entwickle einen Rechenweg von der Temperaturmessung bis zur molaren Reaktionsenthalpie und benenne notwendige Annahmen.
- Katalysator Aussage prüfen: Bewerte die Aussage: Ein Katalysator macht eine Reaktion exothermer. Begründe Deine Entscheidung mithilfe eines Energiediagramms.
- Tabellenwerte übertragen: Erkläre, wie stöchiometrische Koeffizienten und Aggregatzustände in eine Berechnung mit Standardbildungsenthalpien eingehen.
- Delta H und Freiwilligkeit: Begründe, warum eine positive Reaktionsenthalpie allein nicht beweist, dass ein Vorgang unmöglich ist.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du
- die Enthalpie als Zustandsgröße und die Beziehung erklären kannst,
- exotherme und endotherme Vorgänge anhand von Vorzeichen und Energiediagrammen unterscheidest,
- Reaktionsenthalpien mit korrekten stöchiometrischen Faktoren berechnest,
- den Satz von Hess auf neue Reaktionswege überträgst,
- kalorimetrische Messdaten auswertest und Fehlerquellen beurteilst,
- den Einfluss eines Katalysators korrekt von der Reaktionsenthalpie abgrenzt,
- zwischen Enthalpie, Aktivierungsenergie und Gibbs-Energie unterscheiden kannst.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
Die Enthalpie verbindet Energieerhaltung, chemische Reaktionen, Messmethoden und mathematische Bilanzierung. Besonders wichtig sind die Beziehungen zu Thermodynamik, Kalorimetrie, Reaktionskinetik und chemischem Gleichgewicht.
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