Bei Stickoxiden, Kohlenstoffmonoxid und dem Sabatier-Prozess mussten wir jedes Mal andere Werte kombinieren: Mal Verbrennungsenthalpien, mal irgendwelche Teilreaktionen, die gerade passten.
Stimmt. Und jedes Mal mussten wir erst überlegen: Welche Reaktionen ergeben addiert die Zielgleichung? Gibt es nicht einen einzigen Satz von Werten, mit dem das immer funktioniert, egal, welche Reaktion wir gerade suchen?
Einstieg
- Stellen Sie eine begründete Vermutung auf, was ein solcher Universalbaukasten mindestens enthalten müsste, damit sich daraus jede beliebige Reaktionsenthalpie zusammensetzen lässt?
Standardbildungsenthalpien
Weiteres
Bei der Stickstoffoxid-Aufgabe im letzten Material haben Sie bereits, ohne es zu wissen, eine ganz besondere Reaktionsenthalpie berechnet: Die Bildung von genau 1 mol eines Stoffes aus den Elementen in ihrer stabilsten Form. Diese Größe hat einen Namen und ist für sehr viele Stoffe bereits in Tabellen erfasst: Die molare Standardbildungsenthalpie ΔfH0m(Einheit kJ/mol). Sie gibt die Enthalpieänderung an, die bei der Bildung von 1 mol einer chemischen Verbindung aus ihren elementaren Ausgangsstoffen unter Standardbedingungen auftritt. Der Index f steht für das englische Wort formation (= Bildung). Eine solche Reaktion heißt Bildungsreaktion.
Für die Bilanzierung chemischer Bildungsreaktionen gelten die folgenden Festlegungen:
Elementare Stoffe (wie zum Beispiel gasförmiger Wasserstoff H2, oder gasförmiger Sauerstoff O2) können formal nicht durch eine Bildungsreaktion erzeugt werden.
Sie werden per Definition als energetischer Bezugszustand festgelegt.
Ihre absolute Standardenthalpie sowie ihre molare Standardbildungsenthalpie weisen folglich den Wert 0 auf.
Besitzt eine Verbindung eine negative Standardbildungsenthalpie, verläuft die Bildungsreaktion exotherm, so zum Beispiel die Bildung von Chlorwasserstoffgas aus seinen Elementen:
Der Satz von HESS
In der Praxis stehen wir oft vor dem Problem, dass die Reaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion experimentell (kalorimetrisch) nicht messbar ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Reaktion nicht als isolierter Vorgang abläuft oder unerwünschte Nebenreaktionen auftreten. In solchen Situationen erlaubt eine Gesetzesmäßigkeit, die auf den Chemiker Germain Henri HESS (1802 – 1850) zurückgeht, eine mathematische Ermittlung der gesuchten Daten.
Die Reaktionsenthalpie einer chemischen Reaktion ist unabhängig vom Reaktionsweg. Sie hängt ausschließlich vom Anfangszustand (Edukte) und vom Endzustand (Produkte) des Systems ab.
Zerlegt man nun eine chemische Reaktion formal in gedankliche Teilschritte, so entspricht die Reaktionsenthalpie der Reaktion der Summe der Reaktionsenthalpien dieser einzelnen Teilschritte.
Daraus ergibt sich, dass man die molare Standardreaktionsenthalpie einer jeden beliebigen Reaktion berechnen kann, sofern die Standardbildungsenthalpien aller beteiligten Stoffe bekannt sind. Mathematisch wird dies als Differenz der Summen aller Produkt-Enthalpien und Edukt-Enthalpien formuliert.
Standardbildungsenthalpien für diverse Stoffe
Standardbildungsenthalpien diverser Stoffe.1
Am Beispiel des Sabatier-Prozesses
Im letzten Material haben wir die Reaktionsenthalpie des Sabatier-Prozesses (Power-to-Gas-Prozess) bereits berechnet, über einen Umweg durch Verbrennungsenthalpien. Jetzt lösen wir dieselbe Aufgabe noch einmal, dieses Mal über Bildungsenthalpien!
Rückblick: Weg über Verbrennungsenthalpien
Gegebene Reaktionen:
Lösung:
Neu: Weg über Bildungsenthalpien
Lösung:
Beide Wege liefern dasselbe Ergebnis! Das kann nach dem Satz von Hess auch gar nicht anders sein, denn die Reaktionsenthalpie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab!
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Enthalpiediagramm zum Sabatier-Prozess. Links: Weg über Verbrennungsenthalpien. Rechts: Weg über Bildungsenthalpien.2