Enthalpie ist per Definition eine Energieangabe, die durch die Einheit Joule (Abkürzung J) angegeben wird. Genauer gesagt handelt es sich bei der Enthalpie um Wärmeenergie, die ein System bei konstantem Druck als Wärme an die Umgebung abgibt oder dieser entzieht.
Manche wissen vielleicht schon, dass sogenannte thermodynamische Größen, wie die Enthalpie, fast immer vom äußeren Druck und der absoluten Temperatur abhängig sind.
In der Chemie gibt es daher umfangreiche Tabellen, in denen stoffspezifische Enthalpien zu festgelegten Bedingungen (Standardbedingungen wie Temperatur und Druck) aufgelistet sind. Man verwendet hierbei den Begriff der molaren Standardbildungsenthalpie (∆Hf0) eines Stoffes.
Durch die molare Standardbildungsenthalpie kann eine Aussage darüber gemacht werden, wie viel Energie bei der Bildung eines Mols des bestimmten Stoffes bei konstantem Druck und konstanter Temperatur benötigt oder frei wird (je nachdem, ob es eine exotherme oder endotherme Reaktion ist).
Dadurch kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob bei einer Reaktion Energie frei wird und diese freiwillig abläuft oder ob Energie aufgebracht werden muss, damit die Reaktion abläuft.
Das Formelzeichen (∆Hf0) der Enthalpie ist ein großes H, welches vom englischen Wort „heat content“ (Wärmeinhalt) abgeleitet wird. Das tiefgestellte f steht für „formation“ (engl. für Bildung), die 0 für die Standardbedingungen und das Delta für eine Differenz.
Eine reaktionsbezogene Enthalpie ist automatisch immer eine Differenz Δ der Standardbildungsenthalpie der Produkte und Edukte. Um diese Differenz zu berechnen, wird die molare Standardbildungsenthalpie der Produkte und Edukte jeweils getrennt aufsummiert und anschließend voneinander abgezogen.
Als Formel geschrieben, erhalten wir daher:
∆H0Reaktion=∑∆H0f (Produkte) - ∑∆H0f (Edukte)
Das hört sich am Anfang zwar etwas kompliziert an, ist letztlich aber ein guter Weg, um Punkte zu sammeln. Für dich bedeutet das nur, dass du Werte aus einer Tabelle ablesen, diese in die Formel einsetzen und das Ergebnis dokumentieren musst. Wichtig zu erwähnen ist an dieser Stelle jedoch noch, dass man dabei immer auf die Koeffizienten in der Reaktionsgleichung achten muss. Kommt ein Stoff zweimal vor, so muss dieser auch in der Formel mit zwei multipliziert werden. Zudem sollte immer darauf geachtet werden, in welchem Aggregatzustand die Stoffe vorliegen. Je nach Aggregatzustand besitzen die Stoffe unterschiedliche molare Standardbildungsenthalpien. Zum Beispiel benötigt Wasser selbst bei 100°C noch zusätzliche Energie, um den Aggregatzustand zu wechseln. Diese Energie wird benötigt, um den Abstand der Teilchen im gasförmigen Zustand zu erreichen.
Um das Thema optimal zu vertiefen, berechnen wir die Reaktionsenthalpie der folgenden Reaktion:
Beispiel:
Frage: Läuft die Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlendioxid unter Standardbedingungen freiwillig ab?
Vorüberlegung: Bevor die jeweiligen Enthalpien miteinander verrechnet werden, stellen wir die Reaktionsgleichung auf und suchen die Enthalpie der Edukte und Produkte heraus.
Reaktion: C(s) + O2(g) → CO2(g)
Produktseite: ∆H0f(CO2) = -393,5 kJ/mol*
*kann aus einer Tabelle abgelesen werden
Eduktseite: Die Bildungsenthalpien von Kohlenstoff und Sauerstoff sind per Definition gleich null (genauere Erklärung siehe unten). Daher ergibt sich die Rechnung:
Rechnung:
∆H0Reaktion= -393,5 kJ/mol - (0+0)
Antwort: Die Enthalpie der Reaktion ist -393,5 kJ/mol. Somit handelt es sich um eine exothermen Reaktion
Zwei Dinge solltest du hierzu jedoch noch wissen. Zum einen ist die molare Standardbildungsenthalpie von Reinstoffen (z.B. O2, N2, C usw.) immer gleich null. Das ist einfach Definitionssache.
Zum anderen muss bei einer exothermen Reaktion das Vorzeichen der Reaktionsenthalpie immer negativ und bei einer endothermen Reaktion immer positiv sein.
Das kann man sich erklären, indem man sich verdeutlicht, dass bei einem Entstehen einer Flamme (exotherme Reaktion) Energie an die Umwelt abgegeben wird und somit bei den Produkten verloren gehen muss.