Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Reaktionsenthalpie berechnen und deuten
Reaktionsenthalpie aus Bildungsenthalpien berechnen und Vorzeichen, Einheit sowie Aggregatzustände richtig deuten.
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Kurz gesagt
Die Reaktionsenthalpie ist die Enthalpieänderung für die Stoffmengen einer angegebenen Reaktion. Exotherm bedeutet ein negatives Vorzeichen. Aus Bildungsenthalpien rechnest du die Summe der Produkte minus die Summe der Edukte, jeweils mit den Koeffizienten.
Die Reaktionsenthalpie beschreibt die Enthalpieänderung einer genau angegebenen chemischen Reaktion. Ein negatives Vorzeichen kennzeichnet eine exotherme, ein positives Vorzeichen eine endotherme Reaktion. Du lernst, Reaktionsenthalpien aus Bildungsenthalpien zu berechnen, ihre Einheit eindeutig anzugeben und den Satz von Hess anzuwenden.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Die Reaktionsenthalpie vergleicht den Energiezustand der Produkte mit dem der Edukte.
\Delta_r H=H(\text{Produkte})-H(\text{Edukte})
Bei einer exothermen Reaktion liegt das Produktniveau tiefer und \Delta_r H<0. Das System gibt unter geeigneten Bedingungen Wärme ab. Bei einer endothermen Reaktion liegt es höher und \Delta_r H>0. Das System nimmt Energie auf.
Die Aktivierungsenergie beschreibt die Startbarriere. Aus der Reaktionsenthalpie allein folgen weder diese Barriere noch die Reaktionsgeschwindigkeit.
Definition
Reaktionsenthalpie
Die Reaktionsenthalpie \Delta_r H ist die Enthalpieänderung beim Ablauf einer genau angegebenen chemischen Reaktion. Reaktionsgleichung, Stoffmengen und Aggregatzustände gehören deshalb zur Angabe.
Merke: Das Vorzeichen wird aus der Sicht des reagierenden Systems angegeben: Energieabgabe bedeutet \Delta_r H<0, Energieaufnahme bedeutet \Delta_r H>0.
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Die molare Standardbildungsenthalpie \Delta_f H_m^\circ(X) beschreibt die Bildung von 1\,\mathrm{mol} eines Stoffes aus seinen Elementen im jeweiligen Standardzustand. Für Elemente in stabiler Standardform ist sie null.
Für eine ausgeglichene Gleichung addierst du die Bildungsenthalpien der Produkte und ziehst die Summe der Edukte ab. Jeden Tabellenwert multiplizierst du mit dem zugehörigen Koeffizienten, als Stoffmenge in Mol gelesen.
Nenne die gewichtete Produktsumme S_P und die gewichtete Eduktsumme S_E. Dann gilt:
\Delta_r H^\circ=S_P-S_E
Beispiel: Methanverbrennung mit Bildungsenthalpien
- 1\small\begin{aligned}&\ce{CH4(g) + 2 O2(g)}\\ &\ce{-> CO2(g) + 2 H2O(l)}\end{aligned}
- 2Gegeben: \Delta_f H_m^\circ(\ce{CH4(g)})=-75\,\mathrm{kJ/mol} und \Delta_f H_m^\circ(\ce{O2(g)})=0\,\mathrm{kJ/mol}.
- 3Außerdem: \Delta_f H_m^\circ(\ce{CO2(g)})=-393\,\mathrm{kJ/mol} und \Delta_f H_m^\circ(\ce{H2O(l)})=-286\,\mathrm{kJ/mol}.
- 4CO₂ trägt 1\,\mathrm{mol}\cdot(-393\,\mathrm{kJ/mol})=-393\,\mathrm{kJ} bei.
- 5Wasser trägt 2\,\mathrm{mol}\cdot(-286\,\mathrm{kJ/mol})=-572\,\mathrm{kJ} bei. Damit ist S_P=-965\,\mathrm{kJ}.
- 6Methan trägt 1\,\mathrm{mol}\cdot(-75\,\mathrm{kJ/mol})=-75\,\mathrm{kJ} bei; Sauerstoff trägt 2\,\mathrm{mol}\cdot0\,\mathrm{kJ/mol}=0\,\mathrm{kJ} bei.
- 7Daher ist S_E=-75\,\mathrm{kJ}. Produkte minus Edukte: \Delta_r H^\circ=-965\,\mathrm{kJ}-(-75\,\mathrm{kJ}). Das ergibt -890\,\mathrm{kJ} für die angegebene Reaktion.
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In Lehrwerken kommen zwei Angaben vor. Auf dieser Seite ist \Delta_r H die Enthalpieänderung für die Stoffmengen der Gleichung, in kJ. Bei \mathrm{mol}\cdot\mathrm{kJ/mol} kürzt sich Mol heraus. Viele Tabellen und die Seiten zur Gibbs-Energie geben \Delta_r H in kJ/mol an: gemeint ist dann „pro Formelumsatz“, also einmal die Gleichung so, wie sie dasteht.
Verdoppelst du die Methangleichung, verdoppelt sich diese Reaktionsenthalpie:
\small\begin{aligned}&\ce{2 CH4(g) + 4 O2(g)}\\ &\ce{-> 2 CO2(g) + 4 H2O(l)}\end{aligned}
Mit flüssigem Wasser gilt dafür \Delta_r H=-1780\,\mathrm{kJ}. Bezogen auf Methan bleibt die molare Verbrennungsenthalpie gleich:
\Delta H_m(\ce{CH4})=\frac{-1780\,\mathrm{kJ}}{2\,\mathrm{mol}}
\Delta H_m(\ce{CH4})=-890\,\mathrm{kJ/mol}
| Größe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| \Delta_r H | Enthalpieänderung für die Stoffmengen der angegebenen Reaktionsgleichung | kJ |
| \Delta H_m(X) | Enthalpieänderung je Mol eines ausdrücklich genannten Stoffes X | kJ·mol⁻¹ |
| \Delta_r H (pro Formelumsatz) | Enthalpieänderung für einmal die geschriebene Gleichung | kJ·mol⁻¹ |
Merke: Schreibe bei einer molaren Angabe immer dazu, auf welchen Stoff oder auf welche Gleichung sich „pro Mol“ bezieht. Eine Einheit ohne klare Bezugsgröße ist missverständlich.
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Enthalpie ist eine Zustandsgröße: Ihre Änderung hängt nur von Anfangs- und Endzustand ab, nicht vom Reaktionsweg. Passende Teilreaktionen lassen sich daher addieren. Beim Umkehren wechselt das Vorzeichen; beim Skalieren ändert sich der Enthalpiewert im selben Verhältnis.
Bei der Wasserbildung zeigt der Aggregatzustand einen Unterschied:
\ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)}
Dafür gilt gerundet \Delta_r H=-286\,\mathrm{kJ}.
\ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(g)}
Dafür gilt gerundet \Delta_r H=-242\,\mathrm{kJ}. Die Zustände und Koeffizienten gehören zur Angabe.
Bei konstantem Druck lässt sich die Reaktionsenthalpie mit übertragener Wärme verknüpfen, sofern keine weitere Arbeitsform berücksichtigt werden muss. Wird etwa elektrische Arbeit abgegeben, erscheint nicht die gesamte Enthalpieänderung als Wärme. Ein negativer Wert sagt nichts über die Geschwindigkeit aus.
Beispiel: Methanbildung nach dem Satz von Hess
- 1Gesucht ist die Bildung von Methan: \ce{C(s) + 2 H2(g) -> CH4(g)}; C(s) meint Graphit.
- 2Gegeben: \ce{2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l)} mit \Delta_r H_1=-572{,}5\,\mathrm{kJ}. Diese und die folgenden Werte stammen aus einer anderen Tabelle mit mehr Nachkommastellen; Tabellenwerte weichen leicht voneinander ab.
- 3Gegeben: \ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)} mit \Delta_r H_2=-394{,}1\,\mathrm{kJ}; C(s) ist Graphit.
- 4Gegeben ist die Methanverbrennung: \small\begin{aligned}&\ce{CH4(g) + 2 O2(g)}\\ &\ce{-> CO2(g) + 2 H2O(l)}\end{aligned} Dazu gehört \Delta_r H_3=-891{,}6\,\mathrm{kJ}.
- 5Die dritte Gleichung wird umgekehrt: \small\begin{aligned}&\ce{CO2(g) + 2 H2O(l)}\\ &\ce{-> CH4(g) + 2 O2(g)}\end{aligned} Damit gilt \Delta_r H_3'=+891{,}6\,\mathrm{kJ}.
- 6Beim Addieren fallen CO₂, 2\,\ce{H2O} und 2\,\ce{O2} weg.
- 7Erst addierst du -572{,}5\,\mathrm{kJ}-394{,}1\,\mathrm{kJ}=-966{,}6\,\mathrm{kJ}. Dann gilt -966{,}6\,\mathrm{kJ}+891{,}6\,\mathrm{kJ}=-75{,}0\,\mathrm{kJ}.
Beispiel: Drei Regeln für Teilreaktionen
- 1Kehrst du eine Teilreaktion um, kehrst du auch das Vorzeichen ihrer Enthalpie um.
- 2Multiplizierst du eine Gleichung mit einem Faktor, multiplizierst du die Enthalpie mit demselben Faktor.
- 3Addierst du Reaktionsgleichungen, addierst du ihre Enthalpien. Stoffe auf beiden Seiten können sich aufheben.
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Alles auf einen Blick
Reaktionsenthalpie
Bedeutung
Differenz zwischen Produkt- und Eduktzustand; exotherm negativ, endotherm positiv
Berechnung
Produkte minus Edukte; Koeffizienten berücksichtigen; Aggregatzustände beachten
Bezugsgröße
Gleichung: kJ, in Tabellen oft kJ·mol⁻¹ pro Formelumsatz; genannter Stoff: kJ·mol⁻¹
Satz von Hess
Teilreaktionen umformen; Gleichungen und Enthalpien addieren
Grenzen
keine Aussage über Reaktionsgeschwindigkeit; Wärmegleichsetzung nur unter passenden Bedingungen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Methanverbrennung berechnen
- 1Gegeben ist die Methanverbrennung: \small\begin{aligned}&\ce{CH4(g) + 2 O2(g)}\\ &\ce{-> CO2(g) + 2 H2O(l)}\end{aligned} Die molaren Bildungsenthalpien sind -75, 0, -393 und -286\,\mathrm{kJ/mol} in dieser Reihenfolge.
- 2Produkte: -393\,\mathrm{kJ}+2\cdot(-286\,\mathrm{kJ}) =-965\,\mathrm{kJ}.
- 3Edukte: -75\,\mathrm{kJ}+2\cdot0\,\mathrm{kJ}=-75\,\mathrm{kJ}.
- 4Produkte minus Edukte: -965\,\mathrm{kJ}-(-75\,\mathrm{kJ}) =-890\,\mathrm{kJ} für die Gleichung.
Fehler finden
Koeffizient in der Energiebilanz In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Der Koeffizient 2 wurde übersehen. Richtig ist 2\,\mathrm{mol}\cdot(-50\,\mathrm{kJ/mol})=-100\,\mathrm{kJ}; damit ist \Delta_r H=-70\,\mathrm{kJ}.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Bei einer exothermen Reaktion ist \Delta_r H . Zur Berechnung verwendet man . Stöchiometrische Koeffizienten werden mit den Bildungsenthalpien . Aggregatzustände müssen beachtet werden.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback