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Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie

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Götz Vollweiler
Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie

Dieses Video dreht sich ganz um den Satz von Hess zur Berechnung von Reaktionsenthalpien. Die Enthalpie ist eine Zustandsgröße, und die Reaktionsenthalpie ist die Änderung der Enthalpie eines Reaktionsgemisches im Verlauf einer Reaktion. Da bei einer Zustandsänderung nur der Anfangs- und der Endpunkt zählen, nicht aber der Weg, auf dem die Änderung erfolgt, ist es möglich, experimentell nicht bestimmbare Reaktionsenthalpien mit Hilfe bekannter Reaktionsenthalpien verwandter Reaktionen zu bestimmen. Dies wird euch an einem Beispiel genau erklärt.

Transkript Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie

Hallo und herzlich willkommen. Das heutige Video trägt den Titel "Der Satz von Hess". Oder anders formuliert: Es geht um die Berechnung von Reaktionsenthalpien. Nach dem Video weißt du dann, was dieser Satz von Hess besagt und wie man mit seiner Hilfe Reaktionsenthalpien berechnen kann. Du solltest an diesem Punkt allerdings bereits wissen: 1. was eine chemische Reaktion überhaupt ist und 2. was man unter dem Begriff "Enthalpie" versteht. Vielleicht habt ihr irgendwo ja schon mal diesen Satz gehört: Enthalpie ist eine Zustandsgröße. Die Frage ist allerdings, was bedeutet das, was ist überhaupt eine Zustandsgröße? Nun ja, ich versuche das Mal anhand eines einfachen Beispiels zu erklären. Stellt euch vor, ihr steht am Morgen zu Hause auf und frühstückt da. Dann, weil schönes Wetter ist, geht ihr ein bisschen durch den Wald und dann fällt euch ein, ach es wäre doch schön, noch ein paar Runden im Schwimmbad zu drehen, also geht ihr noch ins Schwimmbad. Und erst danach geht ihr zu eurer Arbeit. Der Anfangspunkt eurer Reise ist euer Zuhause und der Endpunkt ist der Arbeitsplatz. Eure Reise kann man in 3 Teilstücke unterteilen. Einmal das Teilstück A, von Zuhause in den Wald, dann das Teilstück B, vom Wald zum Schwimmbad und dann das Teilstück C, vom Schwimmbad zur Arbeit. Ihr hättet theoretisch auch direkt von Zuhause zur Arbeit gehen können und hättet das wahrscheinlich auch bei schlechterem Wetter so gemacht. Tatsächlich ist das auch gar nicht so wichtig, denn in unserem Beispiel ist der Ort die Zustandsgröße. Das heißt, uns interessiert nur der Anfangszustand und der Endzustand. Was dazwischen passiert ist, ist völlig gleichgültig. Was wir aber sagen können, ist, dass die Wege A+B+C zusammengenommen dasselbe Ergebnis gebracht haben, wie wenn ihr nur den Weg D genommen hättet. Und damit wäre das Wesen einer Zustandsgröße auch schon weitgehend erklärt. Verändert man eine Zustandsgröße, und so was nennt man eine Zustandsänderung, dann zählen nur Anfangs- und Endpunkt der Änderung. Der Weg, auf welchem die Änderung erfolgt, ist weitgehend egal. Zumindest wie man so schön sagt, aus thermodynamischer Sicht. Wahrscheinlich habt ihr schon gehört, dass Enthalpie Energie sei. Das ist zwar nicht falsch, aber viel zu ungenau. Streng genommen sollte man sagen, die Enthalpie ist der Energiegehalt eines Reaktionsgemisches oder auch eines Stoffes. Die Reaktionsenthalpie ist die Änderung der Enthalpie, also des Energiegehalts des Reaktionsgemisches. Darum kürzt man die Reaktionsenthalpie auch mit dem Kürzel ΔH ab. Dieses große Dreieck ist das griechische Delta. Und dieses Δ steht für den Begriff Differenz oder Unterschied oder eben Änderung. Und wenn man diese gerade eben erklärten Dinge verstanden hat, dann wird man auch keine Schwierigkeiten haben, den Satz von Hess zu verstehen. Er besagt nämlich: Die Enthalpieänderung zwischen zwei Zuständen ist unabhängig vom Reaktionsweg. Oder anders formuliert, etwas komplizierter, könnte er lauten: Betrachtet man zwei unterschiedliche Reaktionsabfolgen mit gleichem Anfangs- und Endzustand, so haben sie dieselbe Reaktionsenthalpie. Schauen wir uns das Mal anhand eines Beispiels an. Gegeben seien 3 Reaktionen. Die erste lautet: Kohlenstoff plus Sauerstoff ergibt Kohlendioxid. Die Zweite lautet Kohlenstoff plus Sauerstoff ergibt Kohlenmonoxid und 1 Sauerstoffatom bleibt übrig. Und die dritte Reaktion lautet Kohlenmonoxid plus 1 Sauerstoffatom reagieren zu Kohlendioxid. Man kann diese Reaktionsabfolge auch als ein Dreieck von 3 verschiedenen Zuständen skizzieren. Zustand 1 wäre Kohlenstoff plus Sauerstoff, Zustand 2 wäre das Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoffatom und Zustand 3 wäre das Kohlendioxid. Diese 3 Zustände kann man nun durch Pfeile miteinander verbinden, wobei diese Pfeile die 3 oben dargestellten Reaktionen symbolisieren. Die Reaktion selbst ist sozusagen die Zustandsänderung. Reaktion A wäre die Reaktion von Kohlenstoff mit dem Sauerstoff direkt zum Kohlendioxid. Reaktion B wäre Kohlenstoff plus Sauerstoff werden zu Kohlenmonoxid plus Sauerstoffatom, Reaktion C wäre Kohlenmonoxid plus Sauerstoff ergeben Kohlendioxid. Erinnern wir uns an dieser Stelle noch einmal an das Beispiel mit dem Ort als Zustandsgröße. Gehen wir erst den Weg B und dann den Weg C, dann ist das ja exakt dasselbe, als wenn wir gleich den Weg A genommen hätten. Man kann also schreiben: A=B+C. Bezogen auf unsere Enthalpien würde das bedeuten: Die Reaktionsenthalpie der Reaktion B plus die Reaktionsenthalpie der Reaktion C ist gleich die Reaktionsenthalpie der Reaktion A. Die Reaktionsenthalpien dieser 3 Reaktionen, die hier aufgeführt sind, wurden tatsächlich auch schon experimentell bestimmt. Sie haben die Werte: -393,8 Kilojoule für Reaktion A, -110,6 Kilojoule für Reaktion B und -283,2 Kilojoule für Reaktion C. Wie man hier übrigens sieht, haben alle Reaktionsenthalpien negative Vorzeichen, was bedeutet, sie sind allesamt exotherm. Setzen wir diese Reaktionsenthalpien nun in unsere Gleichung A=B+C ein, dann sieht man, dass es tatsächlich stimmt. -393,8 kJ = -110,6 kJ + -283,2 kJ. Passt. Man kann diesen Sachverhalt auch anhand eines sogenannten Energiediagramms darstellen. Auf der y-Achse wird die Energie bzw. die Enthalpie, das heißt, der Energiegehalt der Stoffe dargestellt, und die x-Achse ist so etwas wie der Reaktionsverlauf. Den höchsten Energiegehalt hätten in dieser Darstellung die Ausgangsstoffe Kohlenstoff plus Sauerstoff. Einen mittleren Energiegehalt hätte das Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoff und den niedrigsten würde das Kohlendioxid aufweisen. Auf dem Weg von der obersten Stufe zur 2. Stufe werden 110,6 Kilojoule abgegeben, deshalb das Minuszeichen, und auf dem Weg von der 2. zur 3. Stufe werden 283,2 Kilojoule abgegeben. Unterm Strich ist das so, als wäre diese Reaktion in einem Schritt durchgeführt worden und dabei auf ein Mal 393,8 Kilojoule abgeben worden. An dieser Stelle die berechtigte Frage wie immer: Wozu das Ganze überhaupt? Nun, in der Praxis sieht es so aus, dass man Reaktionsenthalpien nicht immer direkt experimentell bestimmen kann, sondern dass man sie berechnen muss. Die eben dargestellten Zusammenhänge bilden so etwas wie die Grundlage für diese Berechnungen. Man kann z. B. sagen: Kenne ich die Reaktionsenthalpien sämtlicher Teilschritte einer Reaktion bis auf eine, so kann ich die fehlende Reaktionsenthalpie aus den anderen berechnen. Das lässt sich vielleicht am besten anhand eines ganz abstrakten Beispiels erklären. Sagen wir mal, wir haben 4 Zustände, die wir hier Z1, Z2, Z3 und Z4 nennen wollen. Diese 4 Zustände können auf den hier skizzierten Wegen A, B, C und X ineinander überführt werden. Diese Wege sind in unserem Falle natürlich chemische Reaktionen, wobei die blauen Wege, also A und B und C, Reaktionen sind, deren Reaktionsenthalpien uns bekannt sind. Reaktion X ist jene Reaktion, deren Reaktionsenthalpie wir berechnen möchten. Unseren Betrachtungen von vorhin folgend, können wir jetzt aber eine Gleichung aufstellen. Wir können sagen, die Reaktionsenthalpie der Reaktion A plus die Reaktionsenthalpie der Reaktion B ist genauso groß wie die Reaktionsenthalpie der Reaktion C plus die Reaktionsenthalpie der Reaktion X. Nun können wir diese Gleichung nach ΔHX auflösen und erhalten den Ausdruck: ΔHX ist gleich ΔHA+ΔHB-ΔHC. Konkrete Berechnungen möchte ich an dieser Stelle jetzt nicht durchführen, aber darauf hinweisen, dass es ein Übungsvideo zu genau diesem Thema gibt. So, und damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was der Satz von Hess besagt und wie man mit seiner Hilfe Reaktionsenthalpien berechnen kann. Danke fürs Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal.

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. ein bisschen lustlos aber sonst ganz passabel

    Von Hansenka, vor mehr als 3 Jahren
  2. danke danke danke! hab 15 NP bekommen für einen Vortrag über die Enthalpie (und dem Satz von Hess)!
    Hat wirklich super geholfen

    Von Kanutouren, vor etwa 7 Jahren
  3. omg perfekt erklärt....!!!!

    Von Hana 1, vor mehr als 7 Jahren
  4. sehr hilfreich , danke sehr

    Von Dr.Abdullah, vor mehr als 8 Jahren

Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Satz von Hess – Berechnung der Reaktionsenthalpie kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Satz von Hess.

    Tipps

    Der Satz von Hess beschäftigt sich mit dem Energiegehalt einer Reaktion.

    Lösung

    Beim Satz von Hess geht es um Enthalpieänderungen. Es geht also darum, dass sich der Energiegehalt des Zustands 1 vom Energiegehalt des Zustands 2 unterscheidet. Es ist dabei aber völlig egal, über welchen Reaktionsweg der Zustand 2 ausgehend vom Zustand 1 erreicht wurde. Der Energiegehalt der Reaktion ist also unabhängig vom Reaktionsweg.

  • Formuliere die Gesamtgleichung.

    Tipps

    Die Produkte von Teilgleichung 1 sind die Edukte in Teilgleichung 2.

    Wenn du von A über B zu C kommst, kannst du auch direkt von A zu C kommen.

    Lösung

    Wenn bei einer Reaktion A Produkte entstehen, die in einer nächsten Reaktion B weiter reagieren, dann können die Reaktionen A und B auch zusammengefasst werden, sodass aus den Edukten von Reaktion A direkt die Produkte von Reaktion B werden.

    In unserem Beispiel wird also aus Kohlenstoff und Sauerstoff direkt Kohlendioxid.

  • Berechne die fehlende Reaktionsenthalpie.

    Tipps

    Die Reaktionsenthalpie von A zu C ist immer gleich, egal ob der Weg über den Stoff C oder den Stoff D geht.

    Die Reaktionsenthalpie von A zu C setzt sich aus den Enthalpien der Teilgleichungen A zu B und B zu C zusammen.

    Die Reaktion ist exotherm, bekommt also ein negatives Vorzeichen.

    Lösung

    Wie du gelernt hast, bleibt die Reaktionsenthalpie gleich, egal auf welchem Weg ein Stoff A zu C wird. In unserem Beispiel wird zunächst einmal der Stoff D gebildet und ebenso wird der Stoff B gebildet. Wenn du nun wissen möchtest, wie groß die Enthalpie zur Bildung des Stoffes B aus A ist, kannst du zunächst die Enthalpie für die gesamte Reaktion A zu C berechnen, indem du die Teilgleichungen A zu D und D zu C addierst. Du erhältst also einen Wert von -540 kJ. Egal über welchen Weg, von A zu C werden immer 540 kJ frei. Nun kennst du die Reaktionsenthalpie für die gesamte Reaktion. Da du auch weißt, dass von B zu C 240 kJ freiwerden, kannst du diesen Wert einfach vom Gesamtbetrag subtrahieren. Für die Teilgleichung A zu B bleiben dann noch -300 kJ/mol übrig.

  • Berechne die Reaktionsenthalpie für die Gesamtgleichung.

    Tipps

    Die Gesamtgleichung A zu C umfasst die Teilgleichungen A zu B und B zu C.

    Lösung

    Die Gesamtreaktion ist in diesem Fall die Reaktion von A zu C. Wie du im Satz von Hess gelernt hast, wirkt sich der Weg, über den ein Stoff entsteht, nicht auf seinen Energiegehalt aus. Wenn der Stoff C aus A also erst über den Stoff B gebildet wird, dann lassen sich auch die Reaktionsenthalpien einfach addieren, um die Reaktionsenthalpie der gesamten Reaktion zu erhalten. In diesem Fall sind es also

    $-140~kJ/mol + -230~kJ/mol = -370~kJ/mol$.

  • Nenne eine Anwendungsmöglichkeit des Satzes von Hess.

    Tipps

    Der Satz von Hess befasst sich mit Energiegehalten von Stoffen.

    Bei einer Reaktion $A \rightarrow B \rightarrow C$ lässt sich die Reaktionsenthalpie von A zu C aus den Teilenthalpien von A zu B und B zu C berechnen.

    Lösung

    Der Satz von Hess befasst sich mit den Energiegehalten von Stoffen. Er stellt dar, dass es für die Reaktionsenthalpie einer Reaktion egal ist, über welchen Weg ein Produkt aus einem Edukt entstanden ist. Wenn nun die Enthalpieänderung der Gesamtgleichung genauso groß ist wie die Summe der einzelnen Enthalpien der Teilreaktionen, dann lässt sich leicht eine Enthalpie, die nicht experimentell ermittelt werden kann, durch die Berechnung aus den Teilenthalpien bestimmen.

  • Bestimme den Energiegehalt folgender Stoffe.

    Tipps

    Haben die Enthalpien ein negatives Vorzeichen, heißt das, dass Energie bei den Reaktionen frei wird.

    Wird Energie frei, haben die Ausgangsstoffe einen größeren Energiegehalt als die Produkte.

    Überlege dir, welche einzelnen Reaktionen nacheinander ablaufen. Der „Startpunkt“ hat dann also den größten Energiegehalt und der „Endpunkt“ den geringsten Energiegehalt.

    Lösung

    Die Reaktionsenthalpien der Reaktionen haben ein negatives Vorzeichen. Das bedeutet, dass Energie frei wird. Die Ausgangsstoffe haben demzufolge eine größere Enthalpie als die Produkte. $A + B$ reagieren zu $C + D$, also haben $A + B$ einen höheren Energiegehalt als $C + D$. $C + D$ reagieren dann weiter zu $E$. Also müssen auch diese Stoffe wieder einen höheren Energiegehalt haben als $E$. Du kannst so nun also die einzelnen Energiegehalte der Stoffe in die richtige Reihenfolge bringen.

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