Stickoxide im Automotor
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Bei Verbrennungsprozessen in Automotoren reagieren die Hauptbestandteile der Luft – Stickstoff und Sauerstoff – aufgrund der extremen Temperaturen ungewollt zu Stickoxiden. Die direkte kalorimetrische Bestimmung der Reaktionsenthalpie für die Bildung von reinem Stickstoffdioxid (NO2) scheitert jedoch: Stickstoff und Sauerstoff reagieren stets zu einem unkontrollierten Gemisch verschiedener Stickoxide. Isoliert lassen sich im Labor dagegen zwei Teilreaktionen kalorimetrisch erfassen:
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Im Motor entstehen ungewollt Stickstoffoxide. 1
Aufgaben zu M1
- Formulieren Sie die Zielgleichung für die Bildung von genau 1 mol gasförmigem NO2 aus den Elementen.
- Zeigen Sie unter Anwendung des Satzes von Hess, wie die Reaktionen 1 und 2 kombiniert werden müssen, um ihre Zielgleichung aus A1 zu erhalten und berechnen Sie die Reaktionsenthalpie pro 1 mol NO2.
- Erklären Sie, an welcher Stelle ihrer Rechnung die „Achtung Bezugsgröße„-Regel aus M1 des vorherigen Materials zum Tragen kommt.
Der Power-to-Gas Prozess
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Im Zuge der Energiewende wird intensiv an Power-to-Gas-Anlagen geforscht: Mit Ökostrom wird zunächst Wasserstoff erzeugt, der anschließend mit Kohlenstoffdioxid im sogenannten Sabatier-Prozess zu synthetischem Methan umgesetzt wird – einem speicher- und transportfähigen Energieträger, der die vorhandene Erdgas-Infrastruktur nutzen kann:
Die molare Standardverbrennungsenthalpie ΔcH0 eines Stoffes ist die Reaktionsenthalpie seiner vollständigen Verbrennung mit Sauerstoff, bezogen auf 1 mol des Stoffes unter Standardbedingungen. Solche Werte lassen sich im Bombenkalorimeter präzise erfassen und sind für tausende Stoffe tabelliert:
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Eine Power-to-Gas Industrieanlage. 1
Aufgaben zu M2
- Erklären Sie, warum für CO2(g) und H2O(l) in Tabellenwerken keine Verbrennungsenthalpien zu finden sind (bzw. warum diese den Wert 0 kJ/mol besitzen).
- Entwickeln Sie durch gezieltes Vervielfachen, Umkehren und Addieren der Reaktionen 4 und 5 den Rechenweg für die Reaktionsenthalpie des Sabatier-Prozesses und berechnen Sie diese.
- Beurteilen Sie, ob ein Sabatier-Reaktor im Dauerbetrieb beheizt oder gekühlt werden muss.
Graphit und Diamant
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Graphit und Diamant sind zwei Modifikationen des Kohlenstoffs. Ihre Umwandlung ineinander läuft unter Normalbedingungen in messbaren Zeiträumen überhaupt nicht ab – technisch benötigt man über 50000 bar und rund 1500 °C. Die Verbrennungsenthalpien beider Modifikationen sind jedoch bekannt:
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Zwei Modifikationen des Kohlenstoffs: Graphit und Diamant. 1
Aufgaben zu M3
- Berechnen Sie die Umwandlungsenthalpie C(Graphit) zu C(Diamant) und entscheiden Sie, welche Modifikation die energieärmere ist.
- Erläutern Sie, worin hier die Stärke des Satzes von Hess liegt, obwohl gar kein neues Experiment durchgeführt wurde.
- Das Ergebnis ist eine sehr kleine Differenz zweier fast gleich großer Messwerte. Welche Anforderungen an die Messgenauigkeit der Kalorimetrie ergeben sich daraus?
Ausblick
Dir ist vielleicht aufgefallen: Für jede neue Reaktion mussten wir erst passende messbare Teilreaktionen suchen. Zum Glück gibt es einen eleganteren Weg! Im nächsten Material lernen wir einen tabellierten Universalbaukasten kennen, mit dem sich die Reaktionsenthalpie jeder Reaktion berechnen lässt, ganz ohne Kalorimeter und ohne Suchen.